De ontwikkelingen rondom het 3D-printen van betonconstruc- ties hebben de afgelopen jaren een enorme vlucht genomen. Waar zo'n vier jaar geleden een handvol geprinte objecten de kroon spanden (denk aan het geprinte kasteeltje van Andrey Rudenko en de prefab huizen van WinSun), gaat er van - daag de dag geen maand meer voorbij zon - der dat een 3D-geprinte 'primeur' het nieuws haalt. Vaak hebben deze projecten vooral een showcasekarakter, en bovendien wordt het geprinte beton lang niet altijd constructief gebruikt. Anders dan de kran - tenkoppen soms doen geloven, is de tech - niek nog volop in ontwikkeling. Om deze ontwikkeling te ondersteunen, voerde Rob Wolfs een promotieonderzoek uit naar het constructieve gedrag van 3D-geprinte beton - nen constructies. 3D-printen van betonconstructies Het 3D-printen van betonconstructies is een Additive Manufacturing (AM)-techniek, waarbij objecten ?? gestuurd vanuit een digitaal model ? door een robot laag je voor laag je worden opgebouwd. De voordelen van deze techniek zijn duidelijk: het materiaal - gebruik gaat omlaag, doordat beton alleen dáár wordt geprint waar nodig. Bovendien biedt het laagsgewijze maakproces een gro- tere vormvrijheid, waarmee complexe geo- metrieën of extra functionaliteit kunnen worden gerealiseerd. De noodzaak tot bekis- ting verdwijnt en fysieke arbeid wordt sterk verminderd door deze geautomatiseerde maakmethode. Het is dus niet gek dat de bouwindus- trie, op zoek naar manieren om de toene- mende vraag naar duurzaam bouwen en een hogere productiviteit te beantwoorden, de mogelijkheden van deze techniek ver- kent. Van straatmeubilair tot bruggen, en van kunstriffen tot huisjes: het toepassings- gebied van het 3D-printen van betoncon - structies is breed. Na een verkennende pe- riode door voornamelijk start-upbedrijven, heeft ook de gevestigde orde deze nieuwe techniek opgepakt en verschijnt een toene- mend aantal showcaseprojecten in de praktijk. Constructief gedrag 3D-geprint beton Promotieonderzoek geeft meer inzichten in constructieve eigenschappen, zoals sterkte, stabiliteit en hechting, zowel tijdens het printproces als gedurende de levensduur van een geprint object DR.IR. ROB WOLFS Assistant Professor TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde, sectie Betonconstructies auteur 52? CEMENT 8 2019 1 3D-geprinte elementen voor studentenhuisvesting in Nyborg Complexiteit Hoewel de potentie van het 3D-printen van betonconstructies duidelijk is, brengt de toepassing van deze nieuwe techniek ook extra complexiteit met zich mee. Vanwege de afwezigheid van bekisting moet het vers- geprinte beton zelf voldoende sterk en sta- biel zijn gedurende het gehele printproces, om te voorkomen dat een object vroegtijdig bezwijkt. Daarnaast bestaat een geprint ob- ject uit een opeenstapeling van geprinte laag jes, die voldoende moeten hechten om een constructief veilig object te garanderen. Om aan beide voorwaarden te vol - doen, moet het materiaal enerzijds snel ge- noeg sterkte opbouwen of verharden om niet om te vallen tijdens het printproces. Anderzijds moet dit ook weer niet te snel ge- beuren, om te voorkomen dat de hechting tussen de lagen onvoldoende is. En wat het extra complex maakt, is dat deze gevoelige balans voor elke vorm weer anders is. Onderzoek Het promotieonderzoek is uitgevoerd om de extra complexiteit van het 3D-printen van betonconstructies weg te nemen, door het constructieve gedrag in zowel de verse als verharde materiaaltoestand te beheersen. Hiertoe is allereerst een unieke onderzoeks- faciliteit gerealiseerd in het Structures La - boratory Eindhoven: een grootschalige 3D-betonprinter (foto 2). Deze printer be- staat uit een gantry (portaal) robot met een printbed van 9 bij 4,5 bij 2,8 m, gekoppeld aan een meng-pompsysteem en een motion controller die het geheel vanuit 3D-modellen bestuurt. Met deze 3D-printer kunnen zowel op kleine schaal proefstukken voor experi - menteel onderzoek, alsook op grote schaal constructieve elementen voor toepassingen in de praktijk worden gemaakt. Met behulp van deze faciliteit zijn de belangrijkste bezwijkmechanismen vastge- steld die kunnen optreden ten gevolge van het 3D-printproces en zijn de maatgevende materiaaleigenschappen onderzocht. Hier- bij is een onderscheid gemaakt tussen de verse materiaaltoestand en de verharde toestand. Het doel is gesteld om experimen - tele procedures te ontwikkelen om zulke eigenschappen vast te stellen, en om (nu - PROMOTIEONDERZOEK Rob Wolfs is op 12 september 2019 gepromoveerd aan de TU Eindhoven (faculteit Bouwkunde, sectie Betoncon- structies). Titel van zijn proefschrift is 'Experimental characterization and numerical modelling of 3D printed concrete ? Controlling structural beha- viour in the fresh and hardened state'. Een link naar het proefschrift staat op cementonline.nl. Eerste promotor was prof.dr.ir. T.A.M. Salet (TU/e) en tweede promotor prof.dr.ing. P.M. Teuffel (TU/e). Aan het onderzoek is het predi- caat cum laude toegekend. 1 CEMENT 8 2019 ?53 2 3D-betonprinter van de Technische Universiteit Eindhoven [1] 3 Drukproef (a) en afschuifproef (b) uitgevoerd op vers 3D-geprint beton [2] 4 Verandering van bezwijkgedrag bij vers 3D-geprint beton [3] 3a 3b 4 Met behulp van een grootschalige 3D-betonprinter zijn de belangrijkste bezwijkmechanismen vastgesteld en zijn de maatgevende materiaal eigen - schappen onderzocht 2 54? CEMENT 8 2019 merieke) tools te realiseren om de bezwijk- mechanismen te kunnen voorspellen en te voorkomen. Vers beton In de verse materiaaltoestand zijn twee be- langrijke bezwijkmechanismen geïdentifi - ceerd die kunnen optreden tijdens het printproces: bezwijken door instabiliteit (knik) en het overschrijden van de sterkte van het materiaal. Om te kunnen voorspel - len of en hoe een object bezwijkt tijdens het printen, is een FEM-model van het printpro- ces ontwikkeld. In dit model wordt de laags- gewijze opbouw van een geometrie gesimu - leerd, waarbij de printstrategie, zoals de snelheid van de printer en de afmetingen van de laag jes, wordt meegenomen. Belang - rijke input voor deze simulaties zijn de ma - teriaaleigenschappen van beton tijdens het printproces. Om beide bezwijkmechanis- men te kunnen voorspellen, moeten zowel de elastische materiaaleigenschappen (E-modulus en Poisson's ratio) als een vloei - criterium worden vastgesteld. In dit onder- zoek is een Mohr-Coulomb-criterium aange- houden om de vloeigrens van het materiaal te bepalen, en daarmee zijn de cohesie en de hoek van interne wrijving de benodigde ma - teriaaleigenschappen. Al deze materiaaleigenschappen zijn afhankelijk van de ouderdom van het mate- riaal. Tijdens het printproces kunnen de materiaaleigenschappen dus flink verande- ren, afhankelijk van de afmetingen van het object, de snelheid van de printer, en het type materiaal. Druk- en afschuifproef? Om de materiaalei - genschappen en hun ontwikkeling in de tijd te bepalen, zijn er verschillende experimen - tele procedures voor versgeprint beton ont- wikkeld [2, 3 en 4]. Zo is er gebruikgemaakt van een uniaxiale drukproef in combinatie met een afschuifproef (foto 3a en b). Door de drukproef op verschillende ouderdommen uit te voeren, kan de toename in de tijd van de E-modulus en de Poisson's ratio worden bepaald. In de afschuifproef wordt gebruik - gemaakt van verschillende combinaties van normaalkracht en afschuiving. Daarmee kunnen zowel de cohesie als de hoek van in -terne wrijving worden vastgesteld. Ook deze proef is op verschillende ouderdommen herhaald om hun ontwikkeling in kaart te brengen. De uitdaging bij deze proeven volgt uit de verse staat waarin het materiaal ver- keert. Het is namelijk niet mogelijk om meetapparatuur aan het proefstuk te beves- tigen, omdat die het gedrag van het relatief slappe materiaal kan beïnvloeden. Een op- lossing is gevonden in het gebruik van opti - sche meetmethoden. Bovendien zijn alle tes- ten zo ontworpen dat deze zo snel mogelijk kunnen worden uitgevoerd, om te voorko- men dat het thixotrope gedrag van beton de individuele proeven zou beïnvloeden. Resultaten? Uit de resultaten van dit experi - mentele programma bleek dat in de eerste 90 min na extrusie uit de printkop, een line- aire toename van zowel de sterkte als stijf - heidsparameters plaatsvindt. Bovendien verandert het materiaal van bezwijkgedrag (foto 4). Het jongste materiaal gedraagt zich nog bijna als een vloeistof en wordt samen - gedrukt tot bezwijken. Naarmate het proef - stuk ouder wordt, verandert het materiaal langzaam richting een vaste stof en ontstaat er een steeds meer discrete scheur, waarbij het proefstuk bros bezwijkt. Deze proeven bevestigen bovendien dat een tijdsafhanke- lijk Mohr-Coulomb-criterium kan worden beschouwd als een geschikt bezwijkcriteri - um voor vers 3D-geprint beton. Triaxiale drukproef? Om het experimentele programma verder te optimaliseren, is een triaxiale drukproef ontwikkeld. In deze test wordt eerst het gehele proefstuk onder druk gezet, waarna het verticaal tot bezwijken wordt gebracht. Door met verschillende combinaties van voordrukken te werken, kunnen met één proefopstelling zowel de elastische materiaaleigenschappen als het vloeicriterium worden vastgesteld. Numerieke simulaties? De resultaten van de experimentele programma's vormden de basis voor numerieke simulaties van het printproces van verschillende geometrieën. Zo zijn er studies uitgevoerd op het bezwijk - gedrag van betonnen cilinders tijdens het Resultaten van experimentele programma's vormden de basis voor numerieke simulaties van het printproces CEMENT 8 2019 ?55 5 5 FEM-simulatie van het bezwijkgedrag van een betonnen cilinder tijdens een 3D-printproces [2]6 Bezwijken van wandstructuur tijdens een 3D-printproces door knikinstabiliteit [6] 6 printproces (fig. 5), en een verscheidenheid aan rechte wandstructuren. Uit deze studies bleek dat voor het gehanteerde materiaal en printproces, het knikgedrag maatgevend was voor deze constructies. Het numerieke model kan bovendien ook het plastisch be- zwijken goed voorspellen. Deze numerieke resultaten zijn vervolgens gevalideerd met printexperimenten (foto 6) en vergeleken met een parametrisch mechanistisch model ontwikkeld door Suiker [5]. Uit deze studies is geconcludeerd dat het numerieke model een efficiënt hulpmiddel is om het construc- tieve gedrag tijdens het printproces te be- heersen. Verhard beton In de verharde materiaaltoestand is de hechtsterkte tussen de geprinte lagen ge- identificeerd als een belangrijke factor om het constructieve gedrag van een geprint object te beheersen. De sterkte kan echter worden beïnvloed door een verscheidenheid aan parameters, zoals de intervaltijd tussen opeenvolgende lagen en de omgevingstoe- stand van het printproces. Druk-, splijt- en buigproeven? Om deze in - vloed te bepalen, is een uitgebreid experi - menteel programma uitgevoerd op geprinte proefstukken, bestaande uit druk-, splijt- en buigproeven [7]. Hierbij is zo veel mogelijk gebruikgemaakt van voorgeschreven test- procedures voor verhard beton, maar waar nodig zijn aanpassingen gemaakt die passen bij de relatief kleine afmetingen en de ge- laagde opbouw van de proefstukken. De resultaten van dit experimentele programma tonen een duidelijke impact van het printproces op de hechtsterkte: isot- rope materiaaleigenschappen kunnen al - leen worden gegarandeerd bij korte inter- valtijden tussen de lagen. Als de tijd tussen het printen van opeenvolgende lagen toe- neemt, kan de hechting sterk afnemen als de oppervlakte van het geprinte materiaal niet wordt afgedekt tijdens deze tussenpoos. De resultaten van dit experimentele pro- 56? CEMENT 8 2019 gramma kunnen worden gebruikt voor con- structieve analyses, maar bieden ook een handvat om het printproces te optimalise- ren om een afname van hechtsterkte te voorkomen. Zeker voor het op locatie prin - ten in ongecontroleerde omstandigheden is het van groot belang de consequenties voor de hechtsterkte te voorzien. Trekproef? In een tweede experimenteel on - derzoek op verhard beton werd een directe trekproef toegepast (fig. 7). Deze proef is een stuk complexer dan die uit het voorgaande programma, maar biedt wel een uitgebrei - dere karakterisering van het mechanische gedrag en daarmee de mogelijkheid tot ge- avanceerde constructieve analyses van 3D-geprinte betonconstructies. Toepassing Gedurende het promotietraject zijn verschil - lende grootschalige valorisatieprojecten ge- realiseerd, in samenwerking met een groep industriële partners. In deze projecten zijn de eerder beschreven numerieke en experi - mentele methoden al toegepast. Zo werd de geometrie van de wanden die zijn geprint voor studentenhuisvesting in Nyborg [8] aan - gepast om de weerstand tegen bezwijken door instabiliteit te verhogen (foto 1). Voor de 3D-geprinte fietsbrug ge- plaatst in Gemert [9] was er geen risico van bezwijken tijdens het printproces, onder meer vanwege het relatief lange printpad. Hier werden echter wel verschillende lagen tegen elkaar aan geprint. Om de hechting tussen deze horizontale interfaces in kaart te brengen, is de directe trekproef toegepast. De resultaten van deze test vormden de ba - sis voor de printstrategie van de brugele- menten. Voor een nieuwe, geprinte fietsbrug die wordt geplaatst in Nijmegen [10] is de vormvrijheid verkregen door het printpro- ces verder opgezocht. De sterk gekromde elementen van zowel de brugliggers als on - dersteunende kolommen waren daardoor echter wel gevoelig voor instabiliteit tijdens 7 3D-geprint proefstuk in de testopstelling van een directe trekproef 7 De beschreven numerieke en experimentele methoden zijn toegepast in grootschalige valorisatie- projecten CEMENT 8 2019 ?57 8,9 3D-model en 3D-geprint element voor fietsbrug in Nijmegen LITERATUUR Bos, F.P., Wolfs, R.J.M., Ahmed, Z.Y., Salet, T.A.M., Additive manufacturing of concrete in construction: potentials and challenges of 3D concrete printing. Virtual and Physical Prototyping 11(3), 2016, pp. 209-225. Wolfs, R.J.M., Bos, F.P., Salet, T.A.M., Early age mechanical behaviour of 3D printed concrete: Numerical modelling and experimental testing. Cement and Concrete Research 106, 2018, pp. 103-116. Wolfs, R.J.M., Bos, F.P., Salet, T.A.M., Correlation between destructive compression tests and non-destructive ultrasonic measurements on early age 3D printed concrete. Construction and Building Materials 181, 2018, pp. 447-454. Wolfs, R.J.M., Bos, F.P., Salet, T.A.M., Triaxial compression testing on early age concrete for numerical analysis of 3D concrete printing. Cement and Concrete Composites 104, 2019. Suiker, A.S.J., Mechanical performance of wall structures in 3D printing processes: Theory, design tools and experiments. International Journal of Mechanical Sciences 137, 2018, pp. 145-170. Wolfs, R.J.M., Suiker, A.S.J. Structural failure during extrusion-based 3D printing processes. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019. Wolfs, R.J.M., Bos, F.P., Salet, T.A.M., Hardened properties of 3D printed concrete: The influence of process parameters on interlayer adhesion. Cement and Concrete Research 119, 2019, pp. 132-140. Bos, F.P., Wolfs, R.J.M., Ahmed, Z.Y., Salet, T.A.M., Large Scale Testing of Digitally Fabricated Concrete (DFC) Elements. In T. Wangler and R. J. Flatt, editors, First RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication ? Digital Concrete, 2018, Zurich, Switzerland. Salet, T.A.M., Ahmed, Z.Y., Bos, F.P., Laagland, H.L.M. Design of a 3D printed concrete bridge by testing. Virtual and Physical Prototyping 13(3), 2018, pp. 222-236. Green Capital Nijmegen krijgt 's werelds langste 3D-geprinte brug, Cementonline, 28 maart 2019. het printproces. Het numerieke model is ge- bruikt om die gevoeligheid te onderzoeken (fig. 8). Op basis van deze numerieke studies is de geometrie ietwat gewijzigd en is be- paald op welke plekken ondersteuningsma - teriaal tijdens het printproces noodzakelijk is. Hierna zijn de elementen succesvol ge- print (foto 9). Conclusies Het 3D-printen van betonconstructies heeft grote potentie voor de bouwindustrie en biedt de mogelijkheid objecten te maken met minder materiaalgebruik en een hogere functionaliteit. Deze nieuwe techniek brengt echter ook nieuwe uitdagingen met zich mee: de afwezigheid van bekisting en de ge- laagde opbouw van constructies vraagt in - zicht in het constructieve gedrag van geprint beton, zowel tijdens het printproces als ge- durende de levensduur van een geprint ob- ject. Gedurende het promotieonderzoek dat hier is beschreven, zijn verschillende expe- rimentele en numerieke methoden ontwik - keld om het constructieve gedrag van ge- print beton te beheersen. De resultaten kunnen worden gebruikt om het ontwerp- proces te ondersteunen en de geometrie van geprinte objecten (verder) te optimaliseren, de ontwikkeling van printbare materialen te sturen, en printprocessen zo efficiënt moge- lijk in te richten. 58? CEMENT 8 2019