Ze vergaarden internationaal bekendheid door in te schrijven op een ontwerpwedstrijd voor de herbouw van de Notre Dame. Het bedrijf Concr3de uit Rotterdam. De status start-up zijn ze inmiddels wel voorbij, nu ze zo’n vier jaar aan de weg aan het timmeren zijn met een 3D-printer voor steen. En met die printer maken ze objecten van verschillende soorten steen die volgens hen niet onderdoen voor objecten van natuurproducten.
Een dergelijke machine ontwerpen, had best nog wat voeten in aarde. We brengen een bezoek aan het RDM innovation dock waar het bedrijf de innovaties rijp maakt voor productie. Evert Kranendonk geeft ons een rondleiding en vertelt wat de uitdagingen waren bij het bouwen van de machine en hoe Jeroen ter Brake van Festo hielp bij het tackelen van een aantal daarvan.
Inkjetprincipe
Bijzonder aan de machine is dat hij print volgens het inkjetprincipe, waar bij het 3D-printen de FDM- en SLS-methodes op dit moment nog het meest gangbaar zijn. Bij de inkjetmachine brengt een printerkop de ‘inkt’ aan op de plaatsen waar de doorsnede van het object aangebracht moet worden. De ‘inkt’ is een bindmiddel dat een chemische reactie aangaat met het poeder. De machine is opgebouwd uit een toevoerbed en een printbed. Aanweerszijden zijn twee gleuven aangebracht waardoor het overtollige poeder wordt afgevoerd. Het toevoerbed bevat het ruwe materiaal, het poeder. De printerkop brengt een gecontroleerd laagje poeder – de laagdikte varieert van 40 tot 500 μ – aan op het printbed en legt het bindmiddel op de juiste plaatsen neer. Met een printerresolutie van 400 DPI. Het printbed heeft een afmeting van 450 x450 x 300 mm. In de printer die Evert ons toont, de Armadillo White, kunnen ook keramiek, metalen en polymeren worden geprint. Het is allemaal een kwestie van de chemische reactie tussen het poeder en bindmiddel. En wisselen tussen materialen, is eenvoudig gerealiseerd. Vandaag een object van kunststof printen, morgen iets uit kalksteen? Het kan. En wat vandaag kan, zal morgen al wel weer achterhaald zijn, zo lijkt het.
In de printer die Evert ons toont, de Armadillo White, kunnen ook keramiek, metalen en polymeren worden geprint.
Het ontwikkelen van die printer stelde het bedrijf voor wat uitdagingen. Gezocht werd naar betrouwbare componenten die onder lastige omstandigheden betrouwbaar langdurig functioneren. Die eenvoudig schaalbaar zijn en waarbij kennis van software-engineering en de service van de leverancier ook een belangrijk onderdeel was. Evert: “We zochten eigenlijk een full-package leverancier, die ook nog een beetje in de buurt zat. We wilden het liefst alles uit één hand.” Het prototype – met de liefkozende naam Betsy – was er, maar nu moest dat geprofessionaliseerd worden, met hulp van een deskundige partner.Het liefst een met wereldwijde aanwezigheid zodat op alle locaties waar de printer verkocht wordt, de partner ook in de buurt is. Dat die ook nog wat slimmigheid met zich meebracht, dat bleek een bijkomend voordeel.
Belangrijk voor het printproces zijn dus de chemische reacties die in de machine plaatsvinden. Daartoe heeft Concr3de dan ook een chemisch engineer in dienst. En inmiddels wordt er al drie jaar met Festo samengewerkt. Tot grote tevredenheid.Jeroen en Evert leggen uit wat de specifieke uitdagingen waren en hoe de keuze voor de verschillende oplossingen werd gemaakt.
Oprichters Eric Geboers en Matteo Baldessari noemden in hun voorstel het gebrek aan ambachtslieden en originele grondstoffen die nodig zijn om de verwoeste delen met middeleeuwse technieken te reconstrueren.
Demobox
Jeroen: “Om te laten zien wat Festo kan, bracht ik mijn EXCM demobox mee. Daarmee konden we de werking van het principe testen. De vraag was om een lineaire actuator in te kunnen zetten voor het handlingsysteem dat de bewegingen van de printerkop verzorgt.
Het ontwerp van het prototype hebben we geoptimaliseerd en zo gemaakt dat opschalen mogelijk is. De actuator die we hebben toegepast – de ELGA, heeft een overdrukmogelijkheid. Bovendien kan hij in grote lengtes geleverd worden en heeft hij een goede afschermkap. Dat is perfect voor de omstandigheden in de printer. Daardoor is de actuator goed beschermd en we hebben hem ook nog eens op zijn kop gemonteerd, zodat er geen stof in kan vallen. Alle beetjes helpen”, lacht Jeroen.
Het resultaat is dat er bijna geen stof in de actuator komt, en de machine is al een halfjaar in bedrijf. Evert knikt en geeft aan dat dat nou precies een voordeel is van een partner betrekken bij de ontwikkeling. “Ik ben mechanisch engineer, maar wist niet van het bestaan van een dergelijke actuator, dat je daar een overdrukmogelijkheid op zou kunnen hebben. Jeroen herkende de uitdaging van een stoffige atmosfeer en wist precies wat er nodig was.”
Jeroen hielp met de uitwerking van de mechanica en uit de Festo-koker kwam behalve de Elga ook een controller, de Z-as, component en voor de vloeistofaanvoer voor het bindmiddel en de leidingwerken.Met de data van Concr3de werden bij Festo de assen, versnellingen, motor en de controller helemaal doorgerekend om de juiste verhouding van alle massatraagheden te verkrijgen. “Er werd gewerkt met een Siemens besturing. In de standaard libraries van Festo sleep je eenvoudig de juiste functieblokken voor de communicatielijnen op zijn plek. Het grootste gedeelte daarvan gebeurt in de controller. En met de configuratietool van Festo hoef je dan alleen nog in te geven naar welke posities er bewogen moet worden. Je hebt ook nog eens de mogelijkheid om een plot te maken van iedere beweging.” Een Festo-collega hielp met het installeren, welke stapjes zijn er nodig met welke snelheid. En drie medewerkers van Conc3de hebben een dagje in Delft mogen ‘spelen’ zoals ze het zelf noemen. Evert: “We kregen een workshop waarbij we in de controller leerden hoe we bijvoorbeeld acceleraties in konden stellen.”
“Er is gekozen voor servo vanwege de hoge nauwkeurigheid. Nu zitten we op zestig micronstappen, oftewel pixels die geprint worden. Het chemische proces werkt nog een bepaalde periode na. We moesten dus al die reacties, de stabiele en onstabiele fases, heel nauwkeurig doorlopen. Het bleek tot slot nog een hele klus om de systeemkalibratie te vertalen naar de manual. Want de eerste machines zijn geleverd. ”En de volgende ligt op de tekentafel.
De volgende stap?
Lees Link magazine digitaal of vraag een exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl
Het productieproces nóg verder optimaliseren, zowel mechanisch als elektrisch en besturingstechnisch. We willen nog preciezer kunnen printen en tegemoet kunnen komen aan eisen van heel specifieke markten, zoals de biomedical.
De Notre-Dame printen?
“Laat de Notre-Dame met 3D-techniek letterlijk uit zijn as herrijzen.” Concr3de stelde voor de verbrande resten van de Parijse kathedraal te gebruiken als grondstof voor het herstel van het beschadigde steenwerk.
Oprichters Eric Geboers en Matteo Baldessari noemden in hun voorstel het gebrek aan ambachtslieden en originele grondstoffen die nodig zijn om de verwoeste delen met middeleeuwse technieken te reconstrueren.
Ze pleiten voor gebruik van moderne materialen en technieken. Printen met de as van het gebouw is niet alleen veel sneller, maar voegt bovendien een verhaal toe aan het gebouw. De benodigde scans voor 3D-reconstructie zijn voorhanden. In 2013 heeft de Amerikaanse wetenschapper Andrew Tallon het bouwwerk volledig in 3D in kaart gebracht. Een van zijn scans gebruikte Concr3de om een ornament van de Notre-Dame, een zogeheten Stryge, te reconstrueren.Met kalksteenpoeder en een bindmiddel printte het bedrijf in vijf uur tijd een 30 centimeter hoog model van het ornament. Onderzoek bij TU-Delft leerde dat het resultaat niet onderdoet voor echt kalksteen. Toevoegen van de as zorgt mogelijk zelfs voor wat extra sterkte. Betonfabrieken voegen immers ook vaak hun vliegas aan hun mortel toe als vervanger van cement.
