Boek een rondleiding in ’t Centrum, expo biobased-circulair bouwen (CBCI) en industrialisatie van een totaalrenovatiepakket (INDU-ZERO). Bouwadviezen verlopen digitaal.

De technologische innovaties van drie jaar 3D-betonprinten

16 september 2022 door Diana Grasso

afbeelding 1 printer.png

Sinds 2019 onderzoeken en experimenteren enkele bouwbedrijven (Etib/Concrete House, Beneens en Van Roey) en studenten van Thomas More met een 3D-betonprinter op Kamp C. In 2020 printten ze een demowoning in het kader van het project C3PO. Nu, drie jaar later, is 3D-printen een vast onderdeel geworden in de bacheloropleiding Bouw. Het printproces en de software ondergingen heel wat innovatieve transformaties. Nu bekijken we via het project KIEM welke barrières nog moeten overwonnen worden opdat bedrijven deze technologie in hun bedrijfsproces zullen opnemen om zo tot marktintroductie te komen. Axel Boons, 3D manager bij Etib/Concrete House en Wetenschappelijk Onderzoeker bij Thomas More en Wouter Bourgeois, BIM-manager bij Beneens bouw en interieur lichten de evoluties in het printproces toe.

Kunnen jullie de achtergrond van het 3D-printttraject schetsen?

Wouter: “De partners in de projecten C3PO en KIEM zijn organisaties actief in de bouwsector: aannemers, architecten, adviescentrum voor de bouw, leveranciers van mortel, studenten Bachelor Bouw, …

Deze focus op bouw zorgde voor een praktijkgerichte aanpak met snelle en fantastische resultaten tot gevolg. Het iconisch voorbeeld hiervan is het 3D-geprinte gebouw. Dit gold voornamelijk voor het C3PO-project. In het vervolgtraject, KIEM, was er meer tijd voor mogelijke pistes die we niet konden onderzoeken in C3PO. Denk dan maar aan het printen van complexere objecten van de 3D-printawards, interieurtoepassingen en meubels, variante oppervlakteafwerkingen, nieuwe materialen, …”

Axel: “Zoals wellicht doet vermoeden brengen deze uitzonderlijke objecten vaak problemen met zich mee, waar uiteraard nog geen kant-en-klare oplossing voor bestaat. 3D-betonprinten is nog echt pionierswerk. Daarenboven werken we met een prototype 3D-betonprinter. Om deze barrières te elimineren merken we dat we met onze bouw-focus onszelf beperkten. Daarom hebben we ook vanaf het begin van het KIEM-project ingezet op de verbetering en mogelijkheden die de softwarekant van de 3D-betonprinter kan bieden. Ondertussen worden er op Thomas More ook studenten uit de IT-richting betrokken, meer daarover later, en zijn er zelfs plannen om studenten uit de elektromechanica-richting in te schakelen voor het optimaliseren, onderhoud en zelfs ontwikkelen van upgrades voor de printer.

Nu voor je denk dat je een multidisciplinair team nodig hebt dat elk aspect van de printer van binnen en van buiten kent, moet ik toch even een kleine kanttekening maken. Onze prototype printer is ondertussen gedeeltelijk achterhaald en nieuwe versies kunnen met de nodige upgrades en onderhoudsdiensten besteld worden en ook op vlak van software zijn er verbeteringen reeds gemaakt en nog op komst. Als onderzoeksteam hebben we enkel verder willen gaan dan wat beschikbaar is op dit moment en streven we ernaar een bepaalde mate van onafhankelijkheid hebben t.o.v. één vaste leverancier van printers.”

Software en werkvoorbereiding: BIM

Hoe past 3D-betonprinten binnen BIM?

Wouter: “De printer is volledig computergestuurd, bovendien is het ook niet zo eenvoudig om nog aanpassingen te maken éénmaal de printer is opgestart. Een goede kennis van de software en een correcte voorbereiding zijn dus een must voor je kan starten met printen. Dit proces waarbij de plannen worden opgemaakt, aangemaakt, omgezet en geoptimaliseerd is bij het C3PO-project eerder omslachtig verlopen. Ik heb hieronder een kort stappenplan toegevoegd:

  1. 3D Sketchup (Kamp C, Architect) à Ontwerp grote lijnen
  2. 2D AutoCAD (Trias, Architect) à Ontwerp architecturaal
  3. 3D Revit (Beneens, Aannemer) à Uitwerking technische details
  4. 3D (vlakken) AutoCAD (Thomas More, Printtechniekers) à Voorbereiding Slicer
  5. Slicersoftware (Thomas More, Printtechniekers) à Instellingen printer
  6. Resultaat: G-Code à Door printer leesbaar bestand met alle coördinaten, rotaties en snelheden.

Zoals je eerst en vooral alvast opmerkt zijn dit eerder veel stappen. Daarnaast is er ook nog een heel arsenaal aan software en verscheidene specialisten nodig om al deze tekeningen op te maken. Want, hoewel je steeds een plan kan inladen om je op te baseren, in realiteit wordt er vaak terug van nul begonnen en alles hertekend in zijn eigen software, dit is het geval geweest bij stappen één tot en met vier, het model is dus bijna vier keer getekend geweest door vier verschillende partijen.

Deze omslachtige serie van bottlenecks in het voorbereidingstraject stonden voor mij bovenaan om aan te pakken in het KIEM-project. Vanuit mijn standpunt als aannemer lijkt BIM (Building Information Modeling) mij de mogelijkheid te bieden om dit proces sterk te optimaliseren. Goede afspraken maken, en dit doen vroeg genoeg in het project, zorgen ervoor dat informatie en tekeningen kunnen worden overgedragen in plaats van opnieuw getekend. Wij merken ook dat steeds meer architecten, studiebureaus en leveranciers actief willen meewerken aan en inzetten op BIM.

Het voordeel van deze werkwijze is dat we op deze manier 3D-betonprinten kunnen koppelen of zelfs integreren in de BIM-workflow. Op deze manier hoeven we het warm water niet opnieuw uit te vinden en kan iedereen samenwerken op een manier waarmee ze vertrouwd zijn. De software die hiervoor gebruikt wordt kan wisselen van bedrijf tot bedrijf, bij ons gebruiken we uitsluitend Revit om onze BIM-modellen op te maken, dus in mijn verdere uitleg zal ik de principes uitleggen aan de hand van Revit.

Voorlopig klinkt het nog als toekomstmuziek, maar ik zou willen vertrekken vanuit een beginstandpunt waarbij een architect een 3D architecturaal BIM model heeft opgemaakt volgens enkele basisregels. Dit hoeft geen technische correct uitvoeringsplan te zijn zoals we bij een aannemer maken, maar dan heb ik het eerder over afspraken in naamgeven, materiaalkeuze, correcte BIM categorieën en het gebruik van opgedeelde elementen i.p.v. samengestelde elementen. Deze simpele eigenschappen zorgen ervoor dat je eenvoudig kan filteren en navigeren door het model. Scripts en geautomatiseerde processen weten direct met welke elementen ze te maken hebben, welke elementen belangrijk zijn om tot een correct printmodel te komen en welke elementen (voorlopig) even langs de kant gezet mogen worden. In plaats van het model te hertekenen, laat dit toe om het model te kunnen aanpassen, met een enorme tijdsbesparing tot gevolg!”

Hoe lossen jullie de ontbrekende stap op tussen BIM en PRINT?

Axel: “De ontbrekende stap rest dan nog hoe over te gaan van een BIM-model naar een PRINT-model. Indien je met Revit werkt, dan biedt Dynamo hier de perfecte oplossing. Dit programma laat toe om je eigen script te programmeren op een visuele manier, rechtstreeks geïntegreerd in Revit. Het volledige script uitleggen kan een artikel op zich vullen, maar hieronder leg ik stap voor stap het slicerproces bondig uit:

  1. Revit is 3D-software, dat wil zeggen dat elke wand een LENGTE, een HOOGTE en een BREEDTE heeft
    1. De LENGTE bepaalt het traject dat de printer zal afleggen in de X- en Y-richting, in het grondplan dus eigenlijk
    2. De HOOGTE bepaald het aantal lagen, voor elk laagje van 1-2cm moet het traject van de volledige LENGTE worden afgelegd
    3. De BREEDTE is niet zo evident. Dit kan niet door de printer worden geïnterpreteerd uit een 3D model. Dynamo kan hierbij helpen om dit toch om te zetten.
  2. Als eerste past Dynamo een filter toe op het model. Al de niet te printen elementen worden uiteraard ook niet opgenomen in het printbestand.
  3. De volgorde van de elementen kan automatisch bepaald worden, of gecontroleerd in de software.
  4. Een simpele wand is balkvormig, met dus zes vlakken. Omdat de printer geen BREEDTE kan verwerken zou de printer proberen elk van deze zes vlakken te printen. Om dit te voorkomen gaan we de wand moeten reduceren tot een vlak, gepositioneerd in het midden van de wand.
  5. Vervolgens kunnen van dit vlak, voor elke laag een traject bepaald worden, dus een serie lijnen.
  6. Vervolgens moeten we deze lijnen nog opdelen in punten op een geregeld interval, zodat we de X-, Y- en Z-Coördinaten van al deze punten kunnen gebruiken om G-code te maken
  7. Dit is het basisconcept achter de slicer, bijkomend kan extra informatie voor het starten en stoppen van de pomp, de printsnelheid en rotatie van de printkop worden toegevoegd indien gewenst.”

Wouter: “Het aanmaken van dit script in Dynamo vraagt wel wat werk, maar het resultaat is een slicer die perfect geïntegreerd is in Revit en verder naar wens aanpasbaar is voor complexe, niet-alledaagse situaties. Als ik dan bovendien terugblik naar de zes stappen die we hebben doorlopen bij C3PO dan kunnen we dit terugschroeven naar drie stappen, waarbij het model slechts één keer getekend is, één keer aangepast en geoptimaliseerd en vervolgens geautomatiseerd verwerkt tot G-code. Dit alles met een minimum aan afspraken en vereiste software.”

afbeelding 1 printer afbeelding 2  printer afbeelding 3 printer
afbeelding 4  printer afbeelding 5 printer afbeelding 6 printer
afbeelding 7 printer afbeelding 8 printer afbeelding 9 printer

Figuren:

  1. As-built BIM model C3PO (Revit): 3D Architectureel View
  2. As-built BIM model C3PO (Revit): 3D Snede View
  3. As-built BIM model C3PO (Revit): 3D Structureel View
  4. As-built BIM model C3PO (Revit): 3D View filters: Printbeton (Groen), Prefab beton (Magenta), Gestort beton (Cyaan)
  5. As-built BIM model C3PO (Revit): 2D Grondplan
  6. Testproject Dynamo slicer: Gefilterde en ingeladen geometrie uit Revit
  7. Testproject Dynamo slicer: één wandje uit project omgezet naar X-, Y- en Z-Coördinaten
  8. Dynamo slicer: Visual script met behulp van modules
  9. Dynamo slicer: Segment code voor het bepalen van de gecenterde trajectlijnen per laag van het element.

Projectpartners

Thomas MoreVicreWeberBeneensEtib/Concrete House en Trias Architecten zijn projectpartner in het project KIEM. Het project liep van 1/09/2020 tot 31/08/2022 en wordt gesubsidieerd door het EFRO-programma. Het projectbudget bedraagt 807.750 EUR waarvan de Europese financiering 323.100 EUR bedraagt.

Heb je vragen? Mail naar Axel Boons axel@etib.be of Wouter Bourgeois wbg@beneens.be.

banner projectlogo's kiem

Labels:

Sluiten