3D-printing med betong – Några lärdomar och vägar framåt

Handskriven i betong.

Artikelförfattare Wolfram Oettel, RISE AB

Är det möjligt att skriva i betong, utan att ha en egen skrivare eller rättare sagt, 3D-skrivare? Denna fråga hängde över projektet under en ganska lång tid, eftersom 3D-skrivaren inte var uppbyggd och redo för användning. Många kanske utgår från att vissa egenskaper för ett cementskrivmaterial borde vara samma för alla typer av skrivare. I vårt lilla projekt visade vi tydligt att så inte är fallet. I projektet fokuserade vi på materialutveckling för en robotarm som fungerar som 3D-skrivare för betong. Under resans gång behövde vi lösa en rad problem för att få fram ett material som passar precis denna 3D-skrivaren. Arbetet var väldigt lärorikt och framförallt framgångsrik: till slut kunde robotarmen i sin funktion som 3D-skrivare skriva ut de första strukturerna av betongmaterial i ett provmönster som KTH Arkitekturskolan tagit fram.

Additiv tillverkning

Vad är additiv tillverkning? Kort sagt betyder det att materialet placeras – adderas – skikt för skikt och byggs upp till det önskade föremålet. Additiv tillverkning med 3D-skrivare har blivit en etablerad formgivningsprocess för en bred variation av material som plastmaterial, metall och keramiska material. Fördelarna med additiv tillverkning är uppenbara. Under processen uppstår bara lite eller inget avfallsmaterial. Dessutom är det möjligt att tillverka komplexa former även med underskärningar i konstruktionen. 3D-skrivarmetoden är en teknologi som använder ett snabbt härdande material för att bygga upp ett stabilt föremål. [1] [2] [3]

Vanligtvis är det termoplastmaterial eller metall in pulverform som framgångsrikt används för 3D-skivandet. Materialet är bra stapelbart och hårdnadstiden är för båda hyfsat kort.

3D betongskrivning

Ett solidbaserat 3D-skrivarmaterial extruderas ur ett munstycke och bygger upp den önskade artefakten lager för lager. Grundläggande för processen är att materialet hårdnar tillräckligt snabbt, så att det kan bära kommande lager utan deformation. Men tyvärr är betongmaterialet den typen av material som är rätt problematisk för direktskrivande 3D-skrivare. För transporten i 3D-skrivaren genom pumpar, slangar, extruder och munstycke krävs ett mjukt, nästan flytande material som behåller sina egenskaper under hela transportprocessen. I ögonblicket då materialet lämnar munstycket och placeras, ska materialet dock tillstyvna så fort som möjligt och ska behålla sin form även om ytterligare lager material läggs på. Och det brukar betong inte göra. Inte de bästa förutsättningar att 3D-skriva med betong. [4]

Banbrytande forskning och utveckling till 3D-skrivning i betong utfördes av Behrokh Koshnevis arbetsgrupp på USC University of Southern California. Utvecklingen av så kallade contour crafting processen har inte kommersialiserats än. Detsamma gäller också för några andra 3D-skrivarprojekt i betong som IMCRC på Loughborogh University (UK), TU Eindhoven (Nederländarna) eller också TU Dresden (Tyskland). Forskningen där riktar inte bara in sig på teknologin eller materialet men också på de ekonomiska aspekterna runt omkring additiv konstruktion och digital betong. [5] [6] [7] [8]

Utöver forskningen har andra utvecklare för 3D-skrivarteknologi i betong tagit steget mot en kommersialisering så som Winsun (Kina), Andrey Rudenkos Total Kostum (USA) eller Apis Core (Ryssland). Resultaten har blivit prototyper av huskonstruktioner som visar med tydlighet att man har en teknologi som är färdig att använda. [9]

Trots att 3D-skrivning i betong länge har forskats om och utvecklas internationellt, och det idag finns flera byggnader uppförda med tekniken och ännu flera på väg, så har utvecklingen inte kommit särskilt långt i Sverige. Flera högskolor och institut jobbar med 3D-printning i olika material. Men först efter att KTH Arkitekturskolan inom europaprojektet ”InnoChain” införskaffade en robotarm (typ Kuka17) med syftet att 3D-skriva med olika byggmaterial skulle betong-skrivande bli möjligt. Planen var att betongskrivarsystemet, inklusive pump och munstycke, skulle kunna skriva ut material med ballastkorn upp till 2mm. RISE CBI fick i uppdrag att ta fram ett material för denna skrivare. Och det är precis utgångspunkten där materialutvecklingsprojektet för 3D-skrivning 2017 började.

Metoden

Medan skrivaren på KTH skulle byggas upp, började arbetet i materialutvecklingsprojektet med att specificera materialegenskaper för betongmaterialet. Utifrån de från tekniska parametrarna för skrivaren behövdes ett material som kan transporteras med en pump genom en slang fram till munstycket som sedan placerar materialet. Framför allt pumpens utformning var bestämmande för de största partiklarna i materialet. Pumpen skulle klara av att transportera partiklar med maximal kornstorlek av 2mm. Materialet som skulle utvecklas var därmed snarare ett bruk än en fullvärdig betong.

Litteraturen [4] visade att det fanns redan rätt stor aktivitet för att få fram betongskrivarmaterial. Och det visade sig att material som användes för 3D-skrivning i betong är bruksmaterial med partikelstorlekar upp till 4mm. Det skulle utvecklingen förenkla, eftersom det skulle vara möjligt att lära sig av andras misstag. Men vad skulle undersökas och utvecklas på materialet, så att det förbättras från ett vanligt bruk till en 3D-skrivarbläck? En mera konventionell beskrivning för färskt betongmaterial kan ske med parametrar som.

• reologiska parametrar, flytgränsspänning och plastisk viskositet
• sättmått med Hägermann kon
• arbetbarhet (konsistesbeskrivning med sättmått i fallbord)
• öppethållandetid

Alla parametrar kan även användas för en beskrivning av 3D-betongskrivarmaterialet. Men för en mera specifik beskrivning i en komplex process som 3D-skrivning behövs fler parametrar:
• extruderbarhet (pumpbarhet)
• hylltid
• stapelbarhet

Parametrarna extruderbarhet och hylltid är direkt knutna till skrivningsprocessen. Materialtransporten i skrivaren måste fungera och under skrivprocessen förekommer avbrytningar i materialflödet till exempel där munstycket flyttas till en ny skrivpunkt. En paus i materialflöden ska inte betyda att skrivprocessen tvärstannar på grund av betongmaterialets tixotropi. Stapelbarheten är den specifika egenskap ett 3D-material måste ha. Parametern beskriver materialets egenskap att förbli formstabil efter placeringen och pålägning av ytterligare skikt material.

Figur 1: Sättmått för samma bruksmaterial utan fibrar (vänster) och med fibrar (höger).

Materialförsöken

Under projektets tidiga stadie användes fraktionerad finsand med olika kornstorlekar. En kombination av olika varianter av finsand Baskarp 95, 20 och 15 användes för att se hur partikelstorleksfördelningen i ballastmaterialet påverkar de färska egenskaper av betongmaterialet. I senare undersökningar användes sedan vanlig natur- eller krossballast. Ballasten siktades ner till en 2 mm maximal kornstorlek.

För de första blandningarna användes Sika 45 som flyttillsatsmedel för att uppnå tillräcklig flytlighet i materialet och Sika 4000 valdes för att skapa en längre öppethållandetid. Men att uppnå en bra balans mellan de två tillsatsmedel var problematiskt, framförallt vid övergången från naturballast till krossballast. I fortsättning valdes MasterGlenium 51 som flytmedel, vilket inte är det bäst anpassade flytmedlet, men robust in sin användning.

Att blanda in fibrer ger möjlighet att skriva ut en armerad betong i en process där traditionell armering är svår att inkorporera. Men fiberarmering modifierar tydligt konsistensen hos den färska betongen. Fiberarmering bidrog till en styvare konsistens, detta kunde observeras direkt genom sättmått med Hägermannkon, se figur 1. Däremot hade betongblandningarna som innehöll fiberarmering större böjdraghållfasthet.

Figur 2: Utskriftsförsök med olika munstyckskonfigurationer.

Här skulle man gärna ha testat materialet i olika versioner i 3D-skrivaren. Tyvärr var utrustningen för att skriva betong inte monterad än och testförsöken fick skjutas fram. Men varför inte utnyttja tiden och driva fram materialutvecklingen? Användbara betongblandningar för 3D-skrivning har en hög pastaandel, det vill säga cementandelen är större än hos vanliga bruks- eller betongblandningar. Men den höga andelen finmaterial i bruket är nödvändig för att få fram de för 3D-skrivning nödvändiga egenskaperna. För att minska cementandelen gjordes undersökningar med flygaska, silicastoft och fin kalksten Limus 25. Blandningarna med silicastoft och flygaska visar bättre arbetbarhet än blandningar med kalkstenpulver. Slutligen ersattes en del av cementen med keramiskt slipmaterial från kakeltillverkning. Alla försök att ersätta cement i materialet med annat fint pulvermaterial visar nästan lika bra arbetbarhet och hållfastheten i hårdnat material kan till och med vara högre genom en bättre partikelpackning och puzzolana reaktioner av ersättningsmaterialet.

Nästa steg i undersökningarna var att förbättra arbetbarhet utan att förlora byggbarhet (stapelbarhet) i materialet, se figur 2. Ansatsen för det var att höja tillsatsen av flytmedel och motverka materialseparation med förtjockande tillsatsmedel. Till detta användes antingen bentonit eller förtjockningsmedel BASF Starvis 3040F. I denna fas av materialutvecklingen var skrivaren under uppbyggande och inte tillgänglig. Materialet skrevs ut för hand genom användning av en fogpistol.

Figur 3: betongutskrift med testmönster som undersöker bland annat stapelbarhet och brobildningsförmå-gan av materialet (Westerlind, KTH Arkitektskolan).

3D-betongskrivning – äntligen

Och sedan kom sanningens dag. All utrustning för 3D-skrivning i betong fanns på plats i Arkitekturskolan på KTH och äntligen skulle materialen som utvecklats visa sin lämplighet som skrivarbläck. För det första gjordes pumptester med pumpen och slangen som transporterar materialet till munstycket av skrivaren. Men vilken besvikelse det var, när man fick se att materialet inte transporterades genom pumpen och istället nästan slet sönder den. Det visade sig att materialet med 2 mm ballastkornstorlek var för grovt och slitande för denna typ av pump. Hade man bara fått veta det tidigare! Men all kunskap man har samlat innan var inte värdelös. Baserand på denna kunskap kunde projektet nu väldigt snabbt ta fram ett nytt recept. Med fraktionering till 0,5mm maximal ballastkornstorlek och justering av flytmedlet och de andra tillsatserna testades 3D-skrivaren framgångsrikt för sin funktion, se figur 3

Figur 4: specialdesignade strukturer av betong (Westerlind, KTH Arkitektskolan).

Lärdom

När projektet började var 3D-betong-skrivandet fortfarande väldig ung som teknologi. Även om det redan fanns en del litteratur att läsa om, var känslan att det nog fungerar utan större problem. Det var lätt att missa den viktiga poängen att det är ett interdisciplinärt utvecklingsarbete där materialutveckling och teknologiuppbyggandet går hand i hand. Problemen löses genom parallellt arbete och snabb validering av uppnådda resultat. 3D-skrivning utan 3D-skrivare funkar inte. Vidare visade det sig att materialet som utvecklas måste passa till teknologin som används för utskrivning, eller vice versa. Detta har konstaterats i vårt projekt men även i de internationella forsknings- och användningsstudierna i till exempel Storbritannien, Nederländarna och Tyskland. [6] [7] [8]

Följer man den internationella utvecklingen inom betong 3D-skrivande ser man att det bildas kluster för forskning och utveckling omkring detta. För varje skrivarprojekt finns flera delprojekt som hanterar olika aspekter inom helheten, men arbetar för det gemensamma målet att få rätt material för rätt skrivarteknik.

Nu då det är möjligt att skriva ut betong (figur 4) med vår befintliga teknologi kan vi, på basis av allt vi lärt oss, fortsätta att forska och utveckla teknologi och material för användning i Sverige och kanske utveckla ett svenskt interdisciplinärt kluster?

Referenser

[1] Markillie, Paul (2012). A third industrial revolution. The Economist Special Report: Manufacturing and Innovation
[2] Bourell, David L.; Beaman, Jr. Joseph J.; Leu, Ming C.; Rosen, David W. (2009) A Brief History of Additive Manufacturing and the 2009 Roadmap for Additive Manufacturing: Looking Back and Looking Ahead. Technical Paper presentet and published at the RapidTech
2009
[3] DeKestlier, Xavier (2009) Design Potential for Large Scale Additive Fabrikation: Freeform. Foster+ Partners Research & Development Specialist Modelling Group
[4] Le, T.T.; Austin, S.A.; Lim, S.; Buswell, R.A.; Gibb, A.G.F.; Thorpe, T.: Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete. 2012, Materials and Structures 45(8) pp.1-12
[5] Zhang, J.; Khoshnevis, B.: Optima machine operation planning for construction by Contour Crafting. Automation in Construction 29 (2013) pp. 50-67
[6] www.lboro.ac.uk/enterprise/3dcp/
[7] www.tue.nl/en/research/research-groups/3d-concrete-printing/
[8] Mechtcherine, V.; Nerella, V. N.; Will, F.; Näther, M.; Otto, J.; Krause, M.: CONPrint3D – On-site, large-scale, monolithic 3D concrete printing. In: CPT – Construction Printing Technology worldwide, Heft 2, Köln, 2020, S. 18-26.
[9] https://all3dp.com/2/3d-printed-house-3d-printed-building/