3D-printen in de architectuur

Niet alleen in de machinebouw, in de lucht- en ruimtevaartindustrie, in de geneeskunde en in de archeologie, maar ook in de architectuur wordt steeds meer gebruik gemaakt van 3D-printing. In dit artikel willen wij nader bekijken waarvoor additieve vervaardiging in de architectuur kan worden gebruikt en wat de belangrijkste toepassingen zijn.

Toepassingen

In principe wordt hier een onderscheid gemaakt tussen 3D-printers die

• goedkope architectuurmodellen te produceren die tijdens het daaropvolgende fabricageproces als studiemodel worden gebruikt,
• realistische maar gedetailleerde architectonische modellen te maken om het onroerend goed visueel voor te stellen, en deze te gebruiken om het project te promoten; en
• zelfs worden gebruikt voor de productie van 3D-geprinte bouwobjecten.

Welk drukprocédé is het meest geschikt?

Fused Deposition Modelling (FDM) technologie wordt gewoonlijk gebruikt voor de productie van architectuurmodellen. De meeste desktop 3D printers zijn FDM apparaten die werken met het zogenaamde filament. Naast het FDM-proces worden ook stereolithografie (SLA) en digitale lichtverwerkingstechnologie (DLP) gebruikt bij architecturaal 3D-printen.

Voordelen van 3D-printen op het gebied van architectuur

3D-geprinte modellen zijn niet te onderschatten als aanvulling op virtuele 3D-modellen en computersimulaties. Hier worden voorwerpen als model gemaakt en kan de toeschouwer een eerste visuele indruk krijgen. Deze objecten kunnen met 3D-printers tegen lage kosten en tegelijk met hoge precisie worden vervaardigd. Als er verschillende versies van een project moeten worden getoond, is dat moeiteloos mogelijk met 3D-geprinte modellen. Deze modellen kunnen worden getoond aan de klant, die zo ook een visuele indruk kan krijgen tijdens de verschillende bouwfasen.

Naast de kostenbesparing is ook de tijdsbesparing een niet te onderschatten factor. Terwijl de voorwerpen vroeger op schaal moesten worden gemaakt van hout of schuim met minutieus handwerk dat soms dagen in beslag nam, kan dit nu worden gedaan door een 3D-printer. Het enige wat nodig is, is de relevante gegevens in te voeren in de juiste 3D-software en vervolgens de gegevens via een USB-kabel of een SD-kaart over te brengen naar de gebruiksklare 3D-printer. Terwijl de 3D-printer werkt, kan de architect zich met een andere activiteit bezighouden.

Als er later wijzigingen moeten worden aangebracht aan het object, kan het 3D-model op de computer worden gespecificeerd en vervolgens opnieuw worden afgedrukt. Vooral voor iteratief ontwerpen is 3D-printen een bijna ideaal hulpmiddel.

3D-printen staat ook voor een hoge mate van detail en maakt het gebruik van veel verschillende materialen en oppervlakken mogelijk. Heel vaak moet echter een nabewerking worden uitgevoerd. Deze werkzaamheden omvatten het verwijderen van de steunmaterialen, het schoonmaken van het oppervlak tot en met het verven en kleuren. In Maleisië hebben ze bijvoorbeeld – in tegenstelling tot in Hamburg – een miniatuurwonderland gecreëerd met de MinNature, waar de meeste bouwmodellen zijn gemaakt met 3D-printers. U kunt onder andere hele wijken van Kuala Lumpur in het klein zien.

Als 3D-printing wordt uitgevoerd met grote betonprinters, is het zelfs mogelijk om met deze technologie hele huizen, kleinere beurspaviljoens, fiets- en voetgangersbruggen te produceren. Dergelijke huizen, paviljoenen en bruggen werden gebouwd en voor gebruik afgeleverd in onder meer Denemarken, Nederland, Rusland en Spanje. Op Design Miami 2016 konden bezoekers een 3D-geprint paviljoen van bamboe bewonderen, genaamd “Flotsam and Jetsam”.

De meeste architecten zullen 3D-printen echter vooral gebruiken om bouwobjecten van uiteenlopende aard te visualiseren. In de meeste gevallen is een 3D-printer met het FDM-procédé hiervoor voldoende.

Verschillende architecturale modellen

Reeds in de ontwerpfase is het mogelijk verschillende 3D-modellen te maken die overeenkomen met verschillende concepten, bijvoorbeeld. Vooral dan moet u een 3D printer kiezen die zeer gedetailleerd print. Ook de keuze van het filament is belangrijk en mag niet worden onderschat. Een groot bouwvolume is ook belangrijk, vooral voor stadsmodellen.

Wat spreekt ook voor 3D printen in de architectuur?

Een ander belangrijk criterium ten gunste van 3D-printing zijn de lagere productiekosten. Veel concepten kunnen nu niet alleen op het scherm via computersimulatie worden getest, maar als een echt object, waardoor potentiële problemen aan het licht komen. In de regel is een 3D-printer met een extruder hier volledig toereikend. Vaak zijn slechts één of twee soorten materiaal nodig (waarschijnlijk ABS en PLA), die in een klein aantal kleuren in voorraad moeten zijn. Volgens Stratasys, een van de toonaangevende fabrikanten van 3D-printers, kan het gebruik van deze apparaten de kosten voor het modelleren met wel 75 procent verlagen.

Architecten kunnen een bijzonder hoog detailniveau bereiken als zij de SLA- of DLP-methode gebruiken om de modellen af te drukken. Deze 3D-printprocessen werken deels met een hars en staan bekend om hun hoge mate van detail. Het zijn juist de details die vaak de belangstelling wekken van investeerders of klanten.

Naast het 3D-printen zelf moet er natuurlijk nog het een en ander gebeuren. Dit omvat het grafische ontwerp van de afzonderlijke objecten op de computer met behulp van 3D-printsoftware tijdens de voorbereidingstijd. Tijdens de nabewerking kan het nodig zijn de 3D-printer of de bouwplaat ervan te reinigen en het geprinte voorwerp te polijsten, zo nodig te monteren en te beschilderen.

Vervaardiging van complexe structuren

Architectonisch moeilijke voorwerpen kunnen worden gerealiseerd met additieve vervaardiging. Hierdoor kunnen onder meer bogen en koepels worden geprint die met de hand nauwelijks te realiseren zijn. Maar wie denkt dat hierdoor het werk van ontwerpers of modelbouwers overbodig zou worden, vergist zich waarschijnlijk. Met deze technologie zijn zij in staat nog ingewikkelder structuren te realiseren. 3D-printen is dus slechts één onderdeel in de “gereedschapskist” van ontwikkelaars, modelmakers en ontwerpers.

Kosten

De productie van 3D-geprinte architectuurmodellen kan ofwel intern worden uitgevoerd, ofwel worden uitbesteed aan een 3D-printdienstverlener die architectuurmodellen zal produceren. Wie deze diensten niet wil uitbesteden, moet maar eens kijken naar de verschillende productbesprekingen die inmiddels over veel 3D-printers – kant-en-klare printers of 3D-printerkits – zijn verschenen. In het algemeen hangt de prijs van een 3D-geprint voorwerp onder meer af van de volgende parameters:

• Grootte van het af te drukken model,
• Gewenste intensiteit van de details,
• Materiaal kwaliteit,
• Keuze van filamenten,
• Duur van het 3D-printen (stroomverbruik/elektriciteitskosten),
• Proportionele aankoopkosten voor de 3D printer.

Grootte van het af te drukken model en duur van het 3D-printen

Hoe groter het 3D-geprinte model, hoe meer materiaal er wordt gebruikt en hoe hoger de kosten van het filament. De grootte is ook van invloed op de afdruktijd. Het 3D-printen van grotere voorwerpen neemt gewoonlijk meer tijd in beslag, wat de elektriciteitskosten opdrijft.

Intensiteit van de details

Additieve vervaardiging van een complex en tegelijkertijd gedetailleerd architectuurmodel vergt meer tijd dan voor een eenvoudig object met slechts enkele details. Gedetailleerde modellen vergen ook vaak meer voorbereidingstijd.

Materiële kwaliteit

Filamenten zijn vrij duur in aankoop, vooral als zij eigenschappen moeten hebben zoals UV-bestendigheid en flexibiliteit. In geen geval mag u beknibbelen op de kwaliteit van het materiaal, maar moet u goederen van hoge kwaliteit kopen.

Selectie van filament

3D-printers die gebruik maken van het extrusieproces – d.w.z. FDM-technologie – kunnen werken met een grote verscheidenheid aan filamenten, zoals PLA, ABS, PET-G, PVA, houtfilamenten, enz. ABS en PLA in het bijzonder zijn ideaal voor het maken van architectuurmodellen.

Als de print veel details moet bevatten, kan het zinvol zijn om met een SLA of DLP 3D printer te werken.

Duur van het 3D-printen

Een andere kostenfactor is ongetwijfeld de duur van het 3D-printen. Als een groter of gedetailleerd voorwerp moet worden 3D-geprint, kan het zijn dat de 3D-printer meerdere uren achter elkaar moet werken. Dit heeft uiteraard gevolgen voor de gloeidraad en vooral voor het stroomverbruik. Overigens, als er in de tussentijd een stroomstoring optreedt of het filament opraakt, zijn steeds meer 3D-printers in staat om later op hetzelfde punt verder te gaan met printen.

Proportionele aanschafkosten voor de 3D printer

Net als bij auto's (trefwoord: kilometervergoeding in de belastingaangifte) moet bij de berekening van de kosten ook rekening worden gehouden met de aanschafkosten van de 3D-printer. De aanschaf van een duurder toestel betaalt zich immers pas na langere tijd terug en alleen als het regelmatig wordt gebruikt.

De prijzen voor desktop 3D-printers met functies voor de architectuurindustrie lopen sterk uiteen. Voor conventionele bouwpakketten 3D-printers, die vooral voor privégebruik worden gebruikt en die zeker ook geschikt zouden kunnen zijn voor de productie van individuele eenvoudige bouwmodellen, begint men bij ongeveer 150 euro. Als u echter niet veel tijd wilt besteden aan het sleutelen aan de opstelling en tegelijkertijd een 3D-printer van hoge waarde wilt gebruiken, moet u investeren in gebruiksklare printers. Professionele toestellen met een grote installatieruimte kunnen ook meer dan 10.000 euro kosten. Deze laatste apparaten worden bijvoorbeeld gebruikt voor de productie van grotere hoeveelheden.

3D scanner in de architectuur

Wat 3D-printen in de architectuur en de bouw betreft, ligt de klemtoon, zoals elders, op de printtechnologie. Met 3D-scannen is er echter een andere interessante procedure die ook architecten goed van pas kan komen. We willen hier kort op ingaan.

3D-scanners worden bijvoorbeeld gebruikt om binnenruimtes in huizen en commerciële gebouwen in beeld te brengen. De op deze wijze gegenereerde gegevens worden overgebracht naar een computer en verwerkt met geschikte CAD-programma's (bijvoorbeeld Autocad, Fusion 360, enz.). Een dergelijk proces wordt door sommige makelaars gebruikt om potentiële klanten in staat te stellen wooneenheden of huizen virtueel te bezichtigen.

De 3D-scan kan ook nuttig zijn voor historische gebouwen. Als bijvoorbeeld de bouwtekeningen en andere bouwdocumenten slechts onvolledig of helemaal niet beschikbaar zijn, kan een 3D-scanner worden gebruikt om een gedetailleerde weergave te maken en ten minste een deel van de afmetingen te bepalen.

Het bekendste voorbeeld van het gebruik van 3D-scanners in de architectuur is ongetwijfeld de Sagrada Familia-kathedraal in Barcelona, die meer dan 130 jaar na het begin van de bouw eindelijk voltooid zal zijn. Met behulp van 3D-scanners werden modellen gemaakt van afzonderlijke delen van dit heilige gebouw, die nu een basis vormen voor de verdere afwerking van het bouwwerk. Tot het begin van het millennium werden de afzonderlijke modellen met de hand gemaakt.

Verdere literatuur/bronnen:

• https://minnature.com/
• https://www.miamidesigndistrict.net/blog/entries/579/flotsam–jetsam-brings-one-of-the-worlds-largest-3d-printed-objects-to-miami/
• https://i.materialise.com/blog/en/how-3d-printing-is-changing-architecture-learning-from-the-sagrada-familia-team-in-barcelona/