Skal 3D-betonprint blive en pålidelig teknologi i byggeriet, kræver det, at der er fuldkommen styr på betonen og printprocessen. Danske ingeniører, arkitekter, entreprenører, betonproducenter samt en dansk printerproducent er i fuld gang med at løse udfordringen.
3D-betonprint lyder jo enkelt: Man blander sin beton, får den pumpet ud af et printerhoved, og så printer man lag på lag en væg. Hvor svært kan det være? Hvis man ikke ønsker at blive revet ud af forestillingen om, at det er pærelet, så lad være med at spørge en af de partnere, der deltager i det store forskningsprojekt N3XTCON. Projektet samler aktører inden for dansk byggeri og danske vidensinstitutioner for at løse nogle af de største udfordringer ved 3D-betonprint. En af udfordringerne er at gennemskue betonen som materiale, fortæller projektets leder fra Teknologisk Institut, Thomas Juul Andersen:
”Når vi printer i dag, så ved vi ikke, præcis hvornår et print er ved at kollapse. Vi har måske en god fornemmelse, men vi ved det først, når det rent faktisk sker. Derfor er vi typisk nødt til at printe med stor sikkerhedsmargin. Den kan opnås ved f.eks. at printe langsommere eller ved at ændre på betonblandingen.”
Derfor fylder udforskningen af beton som materiale i N3XTCONprojektet, især hvordan den flyder, og hvor hurtigt den hærder. Det er egenskaber, der er afgørende for et vellykket 3D-betonprint.
”Betonen skal være så flydende, at vi kan pumpe den ud af en dyse, men vi vil samtidig gerne have, at den finder sin form med det samme, så den ikke splatter ud. Så betonen skal kunne stå med det samme. Det er jo lidt af et paradoks: Vi har brug for et materiale, der både er flydende og nærmest fast på stort set samme tid,” siger Thomas Juul Andersen.
Ikke for hurtigt – ikke for langsomt
En af de knapper, der kan skrues på for at imødekomme det modsatrettede krav til betonen, er hastigheden, hvormed man printer. Det regner forskere ved DTU på. I spidsen for dem står vicedirektør og professor Henrik Stang fra DTU Byg. Han forklarer:
”Det optimale print opnås, hvis man har den rigtige printhastighed. For printer man for hurtigt, risikerer man, at betonen ikke når at hærde, før næste lag beton lægges ovenpå, og så bliver konstruktionen ustabil, og den kan deformeres eller ligefrem kollapse. Hvis man printer for langsomt, så når betonen at hærde for meget, så lagene ikke ’smelter’ sammen. Så får man støbeskel overalt i printet, og det betyder, at konstruktionen ender med at få en lavere styrke.”
Til at forudsige printprocessen og betonens opførsel udvikler forskerne ved DTU derfor simuleringsværktøjer. Det er matematiske modeller, hvor man forud for printningen bl.a. definerer en række materialeparametre for betonen, så man kan forudsige, om det overhovedet er muligt at printe den konstruktion, man har planlagt, samt hvordan man så skal gå frem.
”Beton er et materiale med mange variabler, og dens egenskaber kan ændre sig fra den ene blanding til den næste, selvom man i princippet blander de samme ingredienser i de samme forhold. Men forhold som temperatur, hvor i grusbunken du tager småstenene fra, og hvor lang tid der går, fra du laver blandingen, til du printer, er med til at skabe en masse usikkerheder om, hvor hurtigt man kan printe,” siger Henrik Stang, der tilføjer, at jo bedre simuleringsværktøjer, jo bedre kan man vælge den rigtige printstrategi.
”Hastigheden af printet har også et økonomisk aspekt, for jo hurtigere man kan printe, jo mere økonomisk interessant bliver det som teknologi i byggeriet,” siger Henrik Stang.
Validering af værktøjerne
Simuleringsværktøjerne bliver valideret i betonlaboratoriet på Teknologisk Institut, hvor man printer og ser om værktøjerne forudsiger betonens opførsel ved en given printstrategi. En af metoderne til at validere er at benytte digital image correlation.
”Vi dokumenterer hele printprocessen systematisk med fotos og følger, hvordan materialet opfører sig; hvordan det flyder, og hvordan det evt. deformerer. Sådan kan vi følge, om de matematiske modeller rammer det, der sker i virkeligheden,” siger Thomas Juul Andersen.
Drømmescenariet er at kunne udnytte simuleringsværktøjet, imens man printer, fortæller Henrik Stang:
”Ideelt set, så vil vi gerne derhen, hvor vi kan regne på konstruktionen, imens vi printer den. Så kan man løbende bruge beregningerne som styringsgrundlag for, hvordan printningen skal fortsætte, og om man skal sætte hastigheden op eller ned.”
Vejen til bæredygtigt betonprint
En vigtig del af N3XTCON er at se på betonprints bæredygtighed. Her spiller beton som materiale også en vigtig rolle. Beton er i al sin enkelhed sten, der bindes sammen af cement og vand. Produktionen af cement udleder store mængder CO2, hvilket hovedsageligt skyldes, at det er en meget energiintensiv produktion. Danmarks eneste cementproducent – Aalborg Portland – deltager også i N3XTCON. Ud over at få afprøvet virksomhedens cementtyper til betonprint, så er de også med for at lære, forklarer Jesper Sand Damtoft, Group Sustainability and R&D Director for Cementir Holding, Aalborg Portlands moderselskab.
”Betonprint er en teknologi, som vi er begyndt at få forespørgsler på, og vi kan mærke en forventning fra vores kunder om, at vi kan vejlede dem,” siger Jesper Sand Damtoft.
En af Aalborg Portlands cementtyper, der netop kom på markedet ved årsskiftet, er FutureCEM. Det er en nyudviklet cementtype med et lavere CO2-aftryk. Forenklet forklaret har man i FutureCEM skruet ned for indholdet af cementklinker – den ingrediens, der er forbundet med størst udledning af CO2 – og erstattet den del af klinkerne med andre materialer. FutureCEM har potentiale til at reducere den globale CO2-udledning fra cementproduktionen med op til 30 pct. Derfor var det med spænding, at man i N3XTCONprojektet afprøvede FutureCEM i betonprint. Resultatet blev godt.
”FutureCEM er blevet testet med ret stor succes, og det er vi rigtig glade for. Vi har været meget interesserede i at se, hvordan lige præcis denne cementtype opfører sig. For kan man anvende nogle cementtyper, der har et lavere CO2- aftryk, så får man en rigtig god miljøprofil ud af 3D-betonprintede konstruktioner,” siger Jesper Sand Damtoft.
En hemmelig armeringsløsning
Da N3XTCON-projektet begyndte i 2019, var ambitionen at udvikle 3D-betonprint, så man gik fra at printe uarmerede konstruktioner i mørtel til at printe armerede konstruktioner i beton. Målet med beton er i hus. Og forbavsende nok er målet om armering også ved at lande, forlyder det.
Armering forhøjer en konstruktions styrke, og i traditionelt betonbyggeri bliver armering indstøbt i beton enten på elementfabrikken eller på byggepladsen. Men inden for 3D-betonprint findes der endnu ingen robuste og industrialiserede løsninger på armeringsspørgsmålet. Flere strategier er afprøvet, eksempelvis at printe rundt om en armeringsstruktur. I N3XTCON arbejdes der videre på at udvikle flere løsninger. Men det er endnu for tidligt at afsløre dem, da det er en potentiel forretningshemmelighed for nogle af partnerne i projektet.
Projektets svanesang
Det sidste skridt i N3XTCONs fireårige projekt er at 3D-betonprinte to boligbyggerier, som bliver tegnet af henholdsvis Henning Larsen Architects og BIG – Bjarke Ingels Group (se artikel på side 16 om BIG’s projekt). Arkitekterne deltager i N3XTCON for bl.a. at udforske de muligheder for formgivning, som 3D-betonprint tilbyder. Hvor BIG planlægger at printe offsite, dvs. ikke på byggepladsen, men i stedet få printet præfabrikerede elementer, som transporteres til byggepladsen, så planlægger Henning Larsen Architects at printe in situ, dvs. på selve byggepladsen.
Begge arkitektvirksomheder ser spændende muligheder for at udnytte 3D-betonprint i byggeri. Projektleder hos Henning Larsen Architects, Troels Dam Madsen, uddyber:
"Med 3D-betonprint er der et kæmpe potentiale for at reducere betonforbruget i bygninger."
Henrik Stang, professor og vicedirektør, DTU Byg
”Med 3D-betonprint får vi helt andre frihedsgrader i betonbyggeri. Det hele behøver ikke at være rette vinkler, som vores arkitektur i dag i høj grad er underlagt på grund af de præfabrikerede betonelementer.”
Troels Dam Madsen er fascineret af 3D-betonprints potentialer for at kunne løse flere problemstillinger samtidig. Bl.a. printets påvirkning af akustikken indenfor.
”Hvor en glat betonflade kan give akustiske problemer, giver betonprint mulighed for at skabe en helt anden overflade, f.eks. med en masse små folder, så man får reflekteret lyden på en mere hensigtsmæssig måde.”
Optimering af konstruktioner
Når formgivningen bliver sat fri, bliver det også billigere at optimere konstruktionen af bygningerne, fortæller Troels Dam Madsen:
”Meget af det beton, der står derude i dag, er voldsomt overdimensionerede strukturer, hvor man går efter den største styrke overalt i konstruktionen. Med 3D-betonprint kan vi nøjes med at udlægge materiale lige dér, hvor en struktur skal bære lasten. Det vil spare byggeriet for en masse beton.”
Den pointe er Henrik Stang fra DTU enig i:
”Med 3D-betonprint er der et kæmpe potentiale for at reducere betonforbruget i bygninger. Og grunden til, at man ikke har gjort det endnu, er bl.a., at det er langt billigere at støbe store firkantede klodser, end det er at optimere. For med en optimering får du typisk nogle avancerede geometrier, som er sindssygt dyre at lave støbeforme til eller at operationalisere i en industriel produktion.”
Henrik Stang tilføjer, at beton er et billigt materiale og derfor altid interessant at bygge med. Og snart kan det også ske med en mindre belastning på klimaet.
”Vi har en forpligtelse til at sørge for, at opførelsen af fremtidige generationers huse og infrastruktur forbruger væsentlig færre ressourcer, end vi har brugt indtil nu,” siger Henrik Stang.