Koraal en kantwerk

3D-betongeprinte filigrane gevelelementen, gemaakt met behulp van circulaire zandmallen

Zoals een patissier die een sierlijke slagroomdecoratie op een cake spuit, staat een robot in een Eindhovense productiehal beton te 3D-printen op een glooiende ‘taart’ van zand. In zo’n vijf minuten spuit hij drie dunne lagen op elkaar, in een patroon dat associaties oproept met koraalstructuren en kantwerk. Al printend ontstaat een lensvormig element, ongeveer 1 meter hoog, dat zo’n 20 kilo weegt. Op deze manier heeft de robot het afgelopen jaar een heel reeks proefstukken geprint. Ze zijn onderdeel van het onderzoeksproject Filigree Freeform Facades, een samenwerking tussen TU Eindhoven - Hoogleraar Architectuur Juliette Bekkering en assistent-professor Cristina Nan – Neutelings Rijkdijk Architecten en het 3D-betonprintbedrijf Vertico. Zij kregen daarvoor een KIEM-Ce subsidie van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Op de Dutch Design Week 2023 in Eindhoven presenteerden ze de resultaten: een serie filigrane gevelelementen.

Onderzoek ontmoet praktijk

Doel van het onderzoek, dat de academische wereld koppelt aan de bouwpraktijk, is om "een nieuwe architectonische expressie voor gevels te ontwikkelen", zegt Bekkering. “Er kan heel veel met deze nieuwe techniek, mits je vanuit de techniek ontwerpt; we moeten de unieke mogelijkheden en expressievormen onderzoeken. Daarvoor heb je ontwerpers nodig die de ins en outs van het printen begrijpen. Mijn frustratie met 3D-printen is dat er op de universiteit al veel is getest en gemaakt dat uiteindelijk slechts beperkt wordt gebruikt door ontwerpers. Omgekeerd zie je dat architecten een bepaalde vorm willen 3D-printen, die zich lastig laat vertalen naar een maakbaar project. Ik wilde die twee werelden – academisch onderzoek en ontwerppraktijk - samenbrengen en werkend vanuit de logica van de techniek nieuwe architectonische mogelijkheden onderzoeken. Wij zijn elementen gaan ontwerpen, samen met en gefocust op de wensen van architectenbureau Neutelings Riedijk, dat veel met ornamenten werkt." De elementen zijn gemaakt door het Eindhovense 3D-betonprintbedrijf Vertico, dat zesassige 3D-printrobots heeft die door de kleine spuitkop zeer verfijnd kunnen printen.

Sculpturale kwaliteit

“Als architect ben ik al lang bezig met de vraag hoe je sculpturale architectuur met beton kunt maken; naast mijn opleiding als architect heb ik een achtergrond als beeldhouwer”, vertelt Bekkering. “Beton biedt interessante mogelijkheden, omdat je het in elke gewenste vorm kunt gieten en daarbij pigment en materialen zoals glas en glasvezels kunt toevoegen. Ik heb daarmee geexperimenteerd in een van mijn eerste projecten voor de Booster in Amsterdam Noord. Het is een utiliteitsgebouw dat zich presenteert als een sculptuur, omkleed met prefab gevelelementen van gepigmenteerd beton met een patroon van lijnen en letters. Het maken van die gevel, met behulp van stalen mallen en zandstraaltechniek, was een ingewikkeld, ambachtelijk proces. Als hoogleraar architectuur aan de TU Eindhoven ben ik gaan onderzoeken hoe je nieuwe technologie kunt inzetten voor het maken van expressieve architectuur. Referenties waren art nouveau en gotische kerken; complexe vormen die nu nauwelijks meer gemaakt kunnen worden vanwege de hoge arbeidskosten. Met 3D-printen wordt een dergelijke ornamentiek weer mogelijk.”

Printen in kisten

In 2015 werd het ontwerp van Bekkering uitgekozen voor verdere uitwerking in een besloten prijsvraag die de TU Eindhoven uitschreef om het ontwerpen met 3D-betonprinten verder te brengen. Ze deed onderzoek naar het maken van complexe vrije vormen, het printen van patronen en de mogelijkheden om daarbij materialen te combineren. Dat resulteerde in het object ‘fire wall’, een muur-met-open-haard die associaties oproept met ‘een blok Viennetta-ijs’ zoals Bekkering het omschrijft. Daarna startte ze een onderzoek met een groep afstudeerstudenten. Ze keken onder andere hoe je 3D-geprinten elementen aan elkaar kunt koppelen en assembleren tot stabiele bouwdelen. Ook verkenden ze de mogelijkheden om uitkragende vaasvormige objecten te printen in hoge houten kisten, gevuld met glaskorrels. Met een soortgelijke bekisting zijn vervolgens drie verschillende, vrij gevormde kolommen - 3 meter hoog, elk opgebouwd uit 3 elementen - geprint bij Vertico.

Circulaire zandmallen

Samen met Cristina Nan, die sinds 2020 bij de leerstoel Architectuur werkt en gespecialiseerd is in ontwerpen met computers en digitale fabricage, verdiepte Bekkering zich verder in de mogelijkheden om te printen met mallen. Dat klinkt paradoxaal: het idee van 3D-printen was toch juist dat je zonder bekisting kunt werken? Nan: “Intuitief denken we bij 3D-printen aan een verticale printrichting waarbij de betonlagen op elkaar steunen. Maar onze premisse was dat voor het maken van filigraan ‘kantwerk’ we beter konden printen op een horizontaal vlak. We besloten om te werken met dubbelgekromde zandmallen - een bestaande techniek - waarop je een lensvormig element kunt opspuiten dat een bepaalde stijfheid heeft.” “Het idee om met zandmallen te werken, sluit aan bij de vraag van het NWO naar circulaire voorstellen”, vult Bekkering aan. “De productie van beton zoals we dat nu toepassen, kost veel energie en water, en de bekisting wordt weggegooid. 3D-betonprinten is daarbij vergeleken een zuinige manier van werken.” Bekkering onderzocht ook de mogelijkheid om te printen met gerecycled cement, maar dat bleek (nog) niet voor deze techniek toepasbaar.

Continue lijn

De volgende vraag was: hoe maak je een dubbelgekromde zandmal? Nan bedacht daarvoor een houten ‘spatel’ die in een robotarm wordt geplaatst, en het zware zand tot een gladde ovaalvormige heuvel modelleert. Het zand wordt omsloten door een houten kist. De 3D-print robot staat daarnaast opgesteld en print het beton over de ‘zandheuvel’ heen. De onderzoekers hebben talloze patronen getest, waarbij ze varieerden met de stand van de printerkop, het aantal printlagen en patronen. Bekkering: “We merkten al snel dat veel niet kan, zoals geometrische patronen of patronen waarin lijnen elkaar kruisen.” Nan: “We besloten om te werken met het differential growth algoritme, waarmee je in een continue lijn kunt printen. De 3D-printer kan immers niet tussentijds stoppen.” Daaruit zijn meanderende patronen met gaten voortgekomen. Nan is vooral verrast door het schaduweffect wanneer zonlicht op de elementen valt. “Dat ervaar je niet als je in de productiehal aan het printen bent. Het voegt een bijzondere kwaliteit toe.”

Gevelsysteem

Samen met Neutelings Riedijk ontwierp Bekkering een serie gevelelementen, gebaseerd op de printbare principes met de doorgaande lijn. Ook werden reeksen ontwerpen gemaakt hoe deze afzonderlijke elementen samengevoegd kunnen worden tot een gevel of een wand. “Ik denk dat je daarmee waanzinnige gevels kunt maken”, zegt Bekkering. Ze toont een artist’s impression van een metershoge ruimte achter een glooiende gevel, opgebouwd uit een 3D-betongeprinte gevelconstructie, waarin de gevelelementen gevat zijn en waardoor zonlicht gefilterd binnenvalt. Om dit beeld werkelijkheid te laten worden, is nog meer onderzoek nodig. “Het element dat we nu hebben, is een proof of concept”, zegt Nan. “Maar je hebt ook een dragende ribbenstructuur nodig, en je moet nadenken over de aansluiting van glasplaten, isolatiemateriaal en installaties”, zegt Bekkering. “Architectuur gaat om het ontwerpen van het hele systeem.” Ze bezinnen zich nu op de volgende stap. Het gesubsidieerde NWO-onderzoek is afgerond. Bekkering: “Dit is een goed moment om de industrie en gevelbouwers op te roepen om te investeren, en zo de ontwikkeling van 3D-betonprinten verder te brengen.”

Filigree freeform facades, 2022-2023

Onderzoeksteam:

• TU Eindhoven, faculteit Built environment, leerstoel Architectural Design and Engineering, Prof. Juliette Bekkering, Architect en assistent Prof. Cristina Nan,
• Neuteling Riedijk Architects
• Onderzoeker: Alessio Vigorito, structural engineer
• Vertico — 3D Concrete Printing

Financiering: NWO: KIEM-CE beurs 2022 — 2023