Onderzoek naar 3D-geprinte nanocellulose voor architecturale toepassingen

Architectonisch materiaal

De bouw verbruikt tegenwoordig 50% van alle fossiele grondstoffen ter wereld, genereert 40% van het wereldwijde afval en veroorzaakt 39% van de wereldwijde kooldioxide-uitstoot. Om daar iets aan te doen, ook al het oog op de overgang naar een groenere toekomst met bijvoorbeeld de Europese Green Deal, wordt steeds meer onderzoek gedaan naar biomaterialen en hun toepassingen. Nanocellulose is geen nieuw biomateriaal en de eigenschappen als hydrogel zijn bekend binnen de biomedische wetenschap, waar het 3D-geprint kan worden tot scaffolds voor weefsel- en celgroei, vanwege zijn bio-compatibiliteit en vochtigheid. Maar het is nog nooit gedroogd en gebruikt als architectonisch materiaal. "Voor het eerst hebben we een architectonische toepassing van nanocellulosehydrogel onderzocht”, zegt Malgorzata Zboinska, Professor in Architectural Design en Digital Technology (Chalmers University of Technology). “We hebben de tot nu toe ontbrekende kennis over de aan dit ontwerp gerelateerde eigenschappen geleverd. Met behulp van onze monsters en prototypen laten we zien hoe goed deze eigenschappen kunnen worden afgesteld door middel van digitaal ontwerp op maat en robotmatig 3D-printen.”

Enkele ontwerpen en karakteristieke 3D-printparameters uit de experimenten met aantal lagen (L), horizontale offset tussen de paden (O) en spuitmonddiameter (D)

Chalmers University of Technology - Enkele ontwerpen en karakteristieke 3D-printparameters uit de experimenten met aantal lagen (L), horizontale offset tussen de paden (O) en spuitmonddiameter (D)

Hulpbronnenefficiënte techniek

De architectuurwereld raakt tegenwoordig doordrongen van digitale technologieën waardoor een breder scala aan nieuwe technieken kan worden gebruikt, maar er is een leemte in de kennis over hoe deze technieken kunnen worden toegepast. Volgens de Europese Green Deal moeten gebouwen in Europa vanaf 2030 efficiënter omgaan met hulpbronnen. Dit kan worden bereikt door meer hergebruik en recycling van materialen zoals nanocellulose, een geüpcycled bijproduct van de industrie. Terwijl gebouwen circulairder moeten worden, worden geavanceerde digitale technieken benadrukt als belangrijke hefbomen om deze doelen te bereiken. “3D-printen is een zeer hulpbronnenefficiënte techniek. Het stelt ons in staat producten te maken zonder andere zaken zoals matrijzen en gietvormen, waardoor er minder afvalmateriaal is. Het proces is ook zeer energiezuinig. Het robotachtige 3D-printsysteem dat we gebruiken, maakt geen gebruik van warmte, alleen van luchtdruk. Dit bespaart veel energie omdat we alleen bij kamertemperatuur werken.”

Het (experimentele) proces

Het energie-efficiënte proces is afhankelijk van de verdunnende eigenschappen van de nanocellulosehydrogel. Als je druk uitoefent, wordt het vloeibaar waardoor het in 3D kan worden geprint, maar als je de druk wegneemt, behoudt het zijn vorm. Hierdoor kunnen de onderzoekers werken zonder de energie-intensieve processen die gebruikelijk zijn in de bouwsector. Malgorzata Zboinska en haar team ontwierpen verschillende tools voor gebruik in het robotachtige 3D-printproces om te zien hoe de nanocellulose-hydrogel zich zou gedragen als deze in verschillende vormen en patronen zou drogen. Deze gedroogde vormen kunnen vervolgens worden toegepast als basis voor het ontwerpen van een breed scala aan architectonische, op zichzelf staande componenten, zoals lichtgewicht scheidingswanden, zonwering en wandpaneelsystemen. Ze kunnen ook de basis vormen voor coatings van bestaande bouwcomponenten, zoals tegels op beklede muren, akoestische elementen voor het dempen van geluid, en in combinatie met andere materialen om skeletwanden te bekleden.

Resultaten van experimentele prototypes : a) ontwerpen van de gereedschapsbanen, b) grafische analyse van de omtrekveranderingen, c) constructies in natte toestand na het 3D-printen, d) fconstructies in droge toestand na 30 dagen

Chalmers University of Technology - Resultaten van experimentele prototypes : a) ontwerpen van de gereedschapsbanen, b) grafische analyse van de omtrekveranderingen, c) constructies in natte toestand na het 3D-printen, d) fconstructies in droge toestand na 30 dagen

De toekomst

Traditionele bouwmaterialen zijn ontworpen om honderden jaren mee te gaan. “Meestal hebben ze voorspelbaar gedrag en homogene eigenschappen”, gaat de professor verder. “We hebben beton, glas en allerlei harde materialen die lang meegaan en we weten hoe ze na verloop van tijd zullen verouderen. In tegenstelling hiermee bevatten biobased materialen organisch materiaal dat van meet af aan is ontworpen om biologisch af te breken en terug in de natuur te recyclen. We moeten daarom volledig nieuwe kennis verwerven over hoe we ze in de architectuur kunnen toepassen, en hoe we hun kortere levenscyclusloops en heterogene gedragspatronen kunnen omarmen. Onderzoekers en architecten zijn nu intensief op zoek naar manieren om producten te ontwerpen die van deze materialen zijn gemaakt, zowel qua functionaliteit als qua esthetiek.”