Digitale architectuur met 3D printers

Onlangs lanceerde DUS architects de Kamermaker, ’s wereld grootste verplaatsbare 3D-printer, waarmee hele ruimtes kunnen worden geprint. Dit najaar ontwikkelde architect Brian Peters de Building Bytes, geprinte bakstenen, die in alle vormen kunnen worden gemaakt. Drie studenten uit Rusland, Spanje en India ontwikkelen Stone Spray, en in het Hyperbody’s Robotics Lab ontwikkelt architect Jelle Feringa robots die 3D-printen en lasersnijden combineren met lassen, frezen en snijden. De nieuwste ontwikkelingen in digitale architectuur zijn veelzijdig en veelbelovend.

Kamermaker

In de tuin van een oud kantoorpand in Amsterdam-Noord staat een glimmende kubus van metaal. Het vierkante bouwwerk meet ongeveer drie bij drie meter en is een meter of vier hoog. Wie niet beter weet zou denken dat er een minimalistisch kunstwerk aan de weg is geplaatst. Maar dit opvallende bouwwerk is niets minder dan een toekomstverkenning van de architectuur, verzekert Martine de Wit van DUS architects. In de metalen kubus bevindt zich ’s wereld grootste verplaatsbare 3D-printer. Met deze Kamermaker wil DUS architects, dat is gehuisvest in het achtergelegen kantoorpand, experimenteren in het toepassen van deze nieuwe digitale productiemethode in het bouw- en ontwerpproces.

Het principe van de Kamermaker is simpel: in het metalen huis staat een 3D-printer van ongeveer twee bij drie meter. Deze geavanceerde machine kan kant-en-klare vormen uitprinten – precies als een inktprinter een word document uitprint. Dat klinkt als Star Wars. Maar feitelijk is de deze 3D-printer niets meer dan een soort computergestuurde tandpastatube die gesmolten plastic laag voor laag op elkaar spuit.

Met reguliere 3D-printers kan tegenwoordig een scala aan producten worden vervaardigd, uiteenlopend van bloemenvazen en asbakken tot meubels en beenprotheses. Voor het maken van maquettes is de 3D-printer inmiddels ingeburgerd bij architecten. De Kamermaker gaat een revolutionaire stap verder en zal een-op-een architectuur printen. Hoe precies, dat weet DUS architects zelf nog niet. ‘De Kamermaker is amper een paar maanden in bedrijf’, aldus De Wit. Maar de ambities zijn hoog. ‘Het is de bedoeling dat we volgend jaar een grachtenpand hebben gebouwd hier in Amsterdam-Noord.’

Vooralsnog is de enige tastbare architectuur die vervaardigd met de Kamermaker een gewervelde pilaar van ongeveer twee meter hoogte. Dit soort losse modules kunnen in een nieuw soort constructie worden geschakeld tot één bouwwerk. Aangezien het plastic dat wordt gebruikt minder sterk is dan staal of beton, moet de draagkracht worden versterkt door organische vormen vol bogen en welvingen. ‘De geprinte architectuur zal geen recht-toerecht- aan vorm krijgen. Dit levert een nieuw soort architectuur op met een eigen esthetiek.’

Nieuwe Amsterdamse School

DUS architects rept zelfs al van ‘een Nieuwe Amsterdamse School’. De Wit: ‘Het is opvallend hoeveel overeenkomsten er zijn met de Amsterdamse School. Zo zal het ornament terugkeren in de architectuur, omdat hiermee draagkracht kan worden gecreëerd. Ook zullen professionals uit verschillende disciplines samenwerken, een van de uitgangspunten van de architecten Amsterdamse School. Architect, computerprogrammeur, meubelontwerpers, technici en misschien zelfs biologen en chemici zullen samen aan één ontwerptafel zitten.’ Ten slotte zal een geprint gebouw ogen als een Gesamtkunstwerk. ‘Niet alleen de muren maar ook de meubels en zelfs de deurklinken zijn geprint in dezelfde vormtaal.’

Natuurlijk is dit nu nog toekomstmuziek, weet ook De Wit. ‘Maar de 3D-printtechniek kan op een minder complex niveau al op kortere termijn worden toegepast. Bij hergebruik van leegstand kan de Kamermaker zijn naam letterlijk eer aan doen: het bouwen van losse ruimtes. Een basisontwerp kan voortdurend worden aangepast aan de specifieke eisen van het hergebruikte gebouw.’ De Wit sluit ook niet uit dat de Kamermaker aanvankelijk zal worden gebruikt in combinatie met bestaande bouwtechnieken, zoals het printen van bijvoorbeeld kozijnen en leidingen. ‘Met de Kamermaker is het printen van complexe mallen voor gietbeton een fluitje van een cent.’

De Kamermaker is gebaseerd op de Ultimaker, de eerste zelfbouw 3D-printer van Nederlandse makelij. Dit toegankelijke apparaat voor de consumentenmarkt (1200 euro exclusief BTW) wordt verkocht in een bescheiden verhuisdoos met tientallen losse onderdelen die door de consument eigenhandig in elkaar moeten worden gezet. De mechaniek van de Ultimaker is eenvoudig: een kunststof draad wordt tegen een heet smeltelement geduwd. Dit gesmolten plastic gaat vervolgens naar de printkop, een soort metalen tube die zich over een horizontale x- en y-as verplaatst en op commando het plastic uitspuit, die bij het afkoelen meteen stolt. Deze sliert kunststof ligt op een plateau dat over een verticale z-as van boven naar beneden zakt, zodat de kunststof in ontelbare ragfijne lagen over elkaar wordt gelegd die bij het afkoelen met elkaar versmelten. ‘De Kamermaker is feitelijk niets anders dan een uitvergrote Ultimaker’ legt Martine de Wit van DUS architects uit. ‘De draad is dikker en ook de afmeting van de geprinte objecten is niet twintig bij dertig centimeter maar twee bij drie meter.’

Geprinte bakstenen van Brian Peters

Een praktisch voorschot op de toepassing van 3D-printen in de architectonische praktijk neemt de Amerikaanse maar in Amsterdam woonachtige architect Brian Peters. Dit najaar ontwikkelde Peters een geprinte baksteen, een systeem dat hij Building Bytes heeft genoemd. De stenen worden gemaakt van een vloeibare, snelhardende klei, die normaal wordt toegepast bij gietvormen. Na het printen worden de stenen gebakken. ‘Het printen duurt, afhankelijk van de vorm, tussen de vijftien en twintig minuten. Maar die tijd kan nog aanzienlijk worden versneld’. Voor de productie van de Building Bytes deed Peters slechts een paar ingrepen aan een standaard 3D-printer voor de consumentenmarkt.

Een voordeel van deze manier van produceren is dat er minder grondstoffen nodig zijn. ‘Building bytes hoeven niet meer massief te zijn.’ Daarbij kan er aanzienlijk op transportkosten worden bespaard wanneer de stenen op de bouwplaatsen worden gefabriceerd. Peters heeft vier steentypes uitgedacht, bijvoorbeeld bakstenen die als een puzzelstuk in elkaar grijpen om koepels en bogen te bouwen en een honingraatvormige steen die op twee manieren kan worden gestapeld en geschikt is voor open en gesloten wanden. ‘De vormen en formaten van deze stenen kunnen eindeloos worden aangepast. Zo kunnen vloeiende overgangen in een constructie worden gemaakt.’

Zandkastelen

Een bijzonder manier van 3D-printen is Stone Spray. Dit systeem waarbij aarde kan worden geprint is ontwikkeld door drie studenten uit Rusland, Spanje en India. ‘We vermengen zand met een biologisch afbreekbaar bindmiddel’, vertelt Petr Novikov, die momenteel in Nederland werkt in de studio van ontwerper Joris Laarman. ‘Deze stroperige vloeistof, een soort modder bijna, wordt vervolgens geprint door een computergestuurde robotarm. Eenmaal in contact met de buitenlucht hardt het bindmiddel uit waardoor zich een stevige aarden constructie vormt. Deze bouwtechniek is geïnspireerd op de eeuwenoude adobegebouwen in Noord-Afrika.’

Het verschil met de Kamermaker en andere 3D-printers is dat bij Stone Spray het ontwerpproces nog tijdens het printen eenvoudig kan worden aangepast. ‘De robotarm kan in principe worden aangestuurd op zonne-energie. Het bindmiddel is biologisch afbreekbaar op basis van maïszetmeel en we gebruiken lokale grond. Deze manier van bouwen heeft zero footprint en totale vormvrijheid. Hiermee kunnen we letterlijk zandkastelen bouwen.’ Er is echter nog één maar: het grootste object dat met Stone Spray is vervaardigd is een krukje.

Combinatie met traditionele technieken

In het Hyperbody’s Robotics Lab in Rotterdam (een onderdeel van de onderzoeksgroep Hyperbody van professor Kas Oosterhuis aan de TU Delft) ontwikkelt architect Jelle Feringa soortgelijke robots die digitale productiemethodes als 3D-printen en lasersnijden combineren met traditionele bouwtechnieken als lassen, frezen en snijden. Met één groot verschil: In het Robotics Lab worden hiervoor afgedankte robotarmen uit onder meer de auto-industrie gebruikt. ‘Met relatief eenvoudige aanpassingen zijn deze robots geschikt om op de bouwplaats bijvoorbeeld plaatstaal in elke gewenste vorm te snijden en vervolgens aan elkaar te lassen. Door een computergestuurde freeskop op de robot te plaatsen kan ik hout in elke gewenste vorm geven. Deze materiaalvrijheid heb je niet als je uitsluitend met 3D-printers werkt.’

Louis Vuitton Arts Centre van Frank Gehry

Maar daar komt snel verandering in, weet De Wit van DUS architects. ‘Straks kan ook de Kamermaker ook voorwerpen printen in elke gewenste kleur en in metaal, houtpulp of klei.’ Daarbij heeft de 3D-printer als grote voordeel dat heel eenvoudig met recyclebare materialen kan worden gewerkt. ‘Stel je voor dat we straks kunnen printen van gerecyclede plastic flessen. Zelfs de gebouwen kunnen worden gerecycled.’ Ook Feringa ziet weldegelijk de potentie van het 3D-printen voor architectuur. ‘Maar experiment en toepasbare technieken moeten hand in hand gaan. Door te werken met robotarmen die zowel 3D-printen als houtfrezen kunnen innovatieve technieken meteen worden ingepast in het bestaande bouwproces.’

Zo worden robots nu al toegepast in het bouwproces. ‘Bij de bouw van het Louis Vuitton Arts Centre van Frank Gehry zijn robots zelfs al niet meer weg te denken’, meent Feringa. De kunsthal met karakteristieke Gehry-krullen kost meer dan 100 miljoen euro en wordt eind 2013 opgeleverd in het Bois de Boulogne bij Parijs. Het is vooral bij de bouw van dit soort expressieve gebouwen dat de robots hun waarde zullen bewijzen, meent Feringa. ‘Digitale productie biedt een ongekende vormvrijheid. Met een diamantdraad aan een robotarm kan ik harde steensoorten in elke gewenste vorm snijden. Deze stenen kan ik vervolgens door een robot laten stapelen. Het resultaat is een traditionele stenen huis maar dan wel in elke vorm die ik wil.’ Natuurlijk is het goed dat robots als een Kamermaker en Stone Spray bijdragen aan een duurzaam bouwproces. Feringa: ‘Maar laten we niet vergeten dat architect nu weer de regie krijgt over het bouwproces. En dat werd wel weer eens tijd ook.’

Ernst Neufert, Enrico Dini en Fabio Gramazio

Digitale technieken als 3D printen zijn weliswaar nieuw, maar de zoektocht naar geautomatiseerde architectuurproductie begon al diep in de vorige eeuw. De Duitse architect Ernst Neufert (1900-1986) experimenteerde al in 1943 met een Hausbaumaschine. Neufert, een leerling van Bauhaus-oprichter Walter Gropius, bedacht een fabriekshal die zich over treinrails zou verplaatsen en op vastgelegde afstanden een gebouw zou produceren. Een groot verschil met 3D-printen en andere digitale productietechnieken is dat de ‘rijdende band’ van Neufert uitsluitend één gestandaardiseerd huistype kon produceren, terwijl met 3D-printen elke huis uniek en op maat gemaakt kan worden.

Een hedendaagse pionier is de Italiaanse architect Enrico Dini en zijn bureau D-Shape. Dini heeft inmiddels al een bouwwerk van ongeveer vier meter hoog geprint van een hoogwaardig industrieel gips. De architectuur van Dini heeft natuurlijke vormen die doen denken aan honingraat en termietenheuvels. De Italiaanse architect Fabio Gramazio gebruikt vliegende robots die bakstenen in diverse configuraties plaatsen. De Flight Assembled Architecture, een rond tijdelijk paviljoen van ruim 1500 gestapelde kunststof bakstenen, maakte Gramazio in 2011.

Tekst: Jeroen Junte