Kan 3D-geprint beton het milieu redden?

Beton is overal om ons heen aanwezig. Van huizen, kantoren en schoolgebouwen tot winkels, dammen, bruggen, trottoirs en wegen, helpt beton bij het bouwen van structuren die we elke dag gebruiken. 

Het is zeker geen nieuw materiaal. In feite gaat de vroegste vermelding van betonnen constructies terug tot 6500 v.Chr. in regio’s van Syrië en Jordanië. Vervolgens, natuurlijk, hadden de Romeinen een uitgebreid gebruik van beton in hun bouw. En nu, eonen later, staan veel van deze constructies nog steeds trots overeind.

In de loop der jaren is het gebruik van beton alleen maar gegroeid, met de wereldwijde betonnen markt die in 2021 op $687.2 billion stond. Er wordt verwacht dat deze zal groeien tot $821.6 billion tegen 2026, wat de rol van beton in ons leven aantoont. 

Deze uitbreiding wordt gedreven door de groei van de bouwsector en de toenemende investeringen in nieuwe bouwprojecten wereldwijd. Economische groei en snelle verstedelijking dragen ook bij aan de stijgende vraag naar residentiële en commerciële complexen over de hele wereld. Naarmate steden groeien, groeit ook de behoefte aan infrastructuur en daarmee de behoefte aan beton.

Hoewel we weten dat er een voortdurende vraag naar cement is, en dat al eeuwenlang zo is, waarom is het in de eerste plaats zo populair? En is het helemaal goed? Laten we het ontdekken!

Beton: De gevaarlijke behoefte van de wereld

Voordat we begrijpen wat beton zo waardevol maakt, laten we eerst zien wat het precies is. Het is een mengsel van cement (of kalk), water en aggregaten, die een verzameling natuurlijke of kunstmatige deeltjes zijn zoals zand, grind of gebroken steen. 

Hier is cement, een vervaardigde mix van calcium, ijzer, silicium en aluminium, naast andere ingrediënten, het bindmiddel dat beton zijn uithardingseigenschappen geeft, terwijl water het cement activeert om een dicht materiaal te vormen. 

Wat dit samengestelde materiaal zo waardevol maakt, zijn de eigenschappen, waaronder vervormbaarheid — het vermogen van vers gemengd beton om in bijna elke vorm te worden gegoten — en duurzaamheid — wat betekent dat het vele jaren kan meegaan. Dit betaalbare materiaal kan bovendien worden aangepast aan verschillende bouwbehoeften.

Andere aantrekkelijke eigenschappen van beton zijn onder meer het gebruiksgemak, de sterkte en het vermogen om niet alleen zware belastingen en compressieve spanning te weerstaan, maar ook barre weersomstandigheden en natuurrampen zoals aardbevingen en orkanen.

Daarnaast heeft beton het vermogen om warmte vast te houden, is het brandwerend en gemakkelijk te repareren bij schade. Al deze eigenschappen maken cement een zeer waardevol product, waardoor het gebruik ervan enorm is gestegen.

Wat betreft de toepassingen van beton, heeft het diverse toepassingen in de bouwsector. Beton is eigenlijk het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld na water. Het wordt gebruikt voor het bouwen van dammen, bruggen, snelwegen, luchthavens, wegen, kanalen, reservoirs en bestrating, naast residentiële gebouwen, commerciële complexen en andere dragende constructies.

Kort gezegd is beton een fundamenteel materiaal in de bouw, dat een cruciale rol speelt bij het vormgeven van de infrastructuur om ons heen.

Maar dat betekent niet dat beton alleen voordelen biedt. In feite is het uiterst gevaarlijk.

Voor starters is cement verantwoordelijk voor 1.6 miljard metrische tonnen kooldioxide (CO2), wat ongeveer 8% van de wereldwijde CO2-uitstoot bedraagt. En de uitgebreide afhankelijkheid van de bouwsector van cement verergert zijn enorme koolstofvoetafdruk.

Ondertussen is de productie van gewoon Portlandcement (OPC) verantwoordelijk voor 5% tot 8% van de wereldwijde antropogene CO2-uitstoot. Wanneer dit wordt geëxtrapoleerd voor alle bouwgerelateerde activiteiten, toont het nieuwste onderzoek een alarmerend beeld, met bijna 40% van de energiegerelateerde CO2-uitstoot afkomstig uit deze sector, die 36% van de uiteindelijke wereldenergie verbruikt.

Dit is uiterst zorgwekkend omdat de CO2-uitstoot naar verwachting een recordhoogte van 37.41 GtCO2 zal bereiken. CO2-uitstoot is ook de belangrijkste oorzaak van de opwarming van de aarde, en volgens het IPCC wordt verwacht dat de opwarming tegen de huidige trend tussen 2030 en 2052 een niveau van 1.5 °C boven het pre‑industriële niveau zal bereiken.

Gezien de milieugevolgen van beton, terwijl het jaarlijkse consumptieniveau 30 miljard ton bedraagt en naar verwachting voortdurend zal stijgen, is het belangrijk dat iedereen, van innovators tot organisaties en overheden, dit probleem direct aanpakt.

Bouwsector vooruitstuwen met 3D-printen 

Beton, zoals we hierboven hebben opgemerkt, is een noodzakelijk kwaad omdat het, hoewel het enkele grote voordelen heeft en cruciaal is voor de beschaving, echt schadelijk is voor de planeet, die al te maken heeft met ontbossing, klimaatverandering, verlies van biodiversiteit en nog veel meer. 

Voeg beton toe aan het mengsel, en de situatie zal alleen maar erger worden. Maar wat als er een manier is om de schadelijke effecten van dit populaire bouwmateriaal aan te pakken? 

Nou, ten eerste evolueert beton om te voldoen aan de complexe en geavanceerde behoeften van de wereld. Zoals we eerder deelden, worden geavanceerde materialen zoals grafeen en hennep steeds vaker gebruikt in bouwmaterialen. Zelfs koolstofvrij cement wordt geproduceerd door kalksteen te vervangen of kalksteen op basis van fossiele brandstoffen te gebruiken.

Er is een andere oplossing, en dat is 3D-printen. Precies! Dezelfde methode die wordt gebruikt om kunst, meubels en andere consumentenproducten te creëren, evenals forensisch onderzoek, protheses en chirurgie, verandert ook het spel in de bouw. 

3D-printen of additive manufacturing, waarbij driedimensionale objecten uit een digitaal bestand worden gemaakt door laag voor laag materiaal aan te brengen, wint veel aan populariteit dankzij de voordelen van snelle prototyping, maatwerk, kostenbesparing, vermindering van materiaalverspilling, innovatiebevordering en duurzaamheid. 

Deze technologie wordt nu toegepast in de bouw, wat op zich niet nieuw is, aangezien 3D-printen al tientallen jaren geleden voor het eerst in de bouw werd gebruikt. Echter, het gebruik van 3D-printen is de afgelopen jaren aanzienlijk gegroeid om het proces te versnellen, materiaalgebruik te optimaliseren, ingewikkelde ontwerpen en op maat gemaakte structuren te verkennen, remote constructie te faciliteren en de veiligheid te verbeteren.

De veelzijdige voordelen van 3D-printen omvatten bovendien kortere toeleveringsketens dankzij on‑site constructie en een aanzienlijke vermindering van arbeidsrisico’s door de verminderde behoefte aan handarbeid bij risicovolle operaties.

Dit jaar hebben we daadwerkelijk de grootste 3D-geprinte wijk ter wereld in Texas gezien, bijna voltooid na twee jaar bouw. 3D-geprinte bouwbedrijf ICON staat achter dit project.

Het particuliere bedrijf ICON print niet alleen woonhuizen, maar is ook betrokken bij defensie en buitenaardse constructie. Minder dan een decennium geleden haalde ICON in totaal $451 million op, waardoor de waardering tot ongeveer $2 billion steeg. Het bedrijf heeft een contract met NASA om landingsplatformen, schuilplaatsen en andere structuren op de maan te bouwen als onderdeel van het Artemis-maanverkenningsprogramma van het agentschap.

In 2018 bouwde het het eerste goedgekeurde 350 vierkante voet grote 3D-geprinte huis in de VS, wat slechts twee dagen duurde. Het huis werd gebouwd met beton omdat, zoals ICO‑CEO Jason Ballard verklaarde:

“Het is een van de meest veerkrachtige materialen op aarde.”

Voor de Texas‑gemeenschap gebruikt het bedrijf zijn Vulcan‑printer, die sterk lijkt op een gewone desktop 3D‑printer, en legt laag voor laag materiaal aan. Het verschil met deze Vulcan‑printer is dat hij 45 voet breed is en 4.75 ton weegt. 

Wat het proces betreft, wordt betons poeder gemengd met zand, water en andere toevoegingen en vervolgens in de printer gepompt. Het betonsmengsel wordt vervolgens door een nozzle op een borstel geperst, die laag voor laag opbouwt volgens een voorgeprogrammeerd pad.

De robotprinter heeft 100 3D‑geprinte huizen gebouwd in wat zij de grootste 3D‑geprinte gemeenschap ter wereld noemen. Omdat 3D‑printen sneller, goedkoper, minder materiaalverspilling veroorzaakt en minder arbeiders vereist, brengt het volgens het bedrijf ‘veel efficiëntie naar de markt van de handel’.

Dit is echter slechts het begin, zoals blijkt uit de groei die de 3D‑printbouwmarkt naar verwachting zal zien. Met een waarde van $5.5 billion vorig jaar, wordt verwacht dat de wereldwijde 3D‑printbouwmarkt zal groeien met een CAGR van 105.8% en een verbluffende $3.3 trillion zal bereiken tegen 2032.

Deze cijfers kunnen in eerste instantie overweldigend lijken, maar zoals we in ons vorige artikel deelden, zou 3D‑printen een potentiële oplossing kunnen zijn voor het ernstige probleem van woningtekort, waardoor het biljoen‑doel een reële mogelijkheid wordt.

Gezien de enorme interesse in 3D‑printbouw, is het ook logisch om deze technologie te gebruiken om de bouwmarkt te verbeteren. En dat is precies wat wetenschappers van de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore doen.

De onderzoekers gingen nog een stap verder door het beton zelf te 3D‑printen. Hiervoor hebben ze een 3D‑betonprintmethode ontwikkeld die koolstof vastlegt, waarmee een nieuwe manier wordt getoond om de milieu‑impact van de bouwsector te verminderen.

Klik hier om te ontdekken of 3D‑printen ons kan helpen het woningtekort aan te pakken.

3D‑printen van beton dat CO2 vastlegt

Eerder deze maand publiceerden hun onderzoek over “Carbon capture and sequestration with in‑situ CO2 and steam‑integrated 3D concrete printing.” 

Het onderzoek beschreef de innovatieve methode die tot doel heeft de koolstofvoetafdruk van cement aanzienlijk te verminderen door het materiaalgebruik, de arbeidsbehoefte en de bouwtijd te verlagen. 

Er wordt ook gesuggereerd dat duurzame ontwikkeling via 3D‑betonprinten tot wel 5% vermindering van het wereldwijde energieverbruik kan opleveren. Deze milieuvordelen zijn mogelijk gelijk aan het vermogen om bouwprocessen te stroomlijnen. 

Het mengen van CO2 in beton, zoals de nieuwste studie doet, is echter eerder gedaan met als doel de kwaliteit van het materiaal te verbeteren en de negatieve milieu‑impact van cement te verminderen. 

Vroege studies hebben al verbeteringen aangetoond in de mechanische eigenschappen van beton door directe batchmixing met CO2 en het blootstellen van beton aan CO2 tijdens de productie in carbonatiseringskamers, waardoor een “carbonation shell” ontstaat. 

Eerdere studies rapporteerden een bijna 15‑voudige toename in penetratieweerstand en tot 1.16% koolstofabsorptie in slechts een half uur mortel mengen met CO2. Het aanpassen van de versnelde carbonatiseringsuitharding (ACC) toonde bovendien een koolstofabsorptie van 1.98–25.5%. 

Hoewel onderzoek naar 3D‑betonprinten zich grotendeels heeft gericht op het ontwerpen van groene cementmengsels om de koolstofvoetafdruk te verkleinen, merkte de nieuwste studie op dat enkelen hebben nagedacht over het verbeteren van verwerkingsprocessen, met name om de grootschalige koolstofafvang‑ en opslagcapaciteit (CCS) te vergroten. 

Studies over de carbonatisering van cementachtige materialen, met name de minimale focus op diepten, merkten de onderzoekers op, zijn de reden waarom hun schaalvergroting validiteitszorgen oproept. Bovendien ondervinden CCS‑oplossingen die in een kamer zijn beperkt beperkingen qua hardware en energieverbruik wanneer ze worden toegepast met 3DCP. Als gevolg hiervan worden de voordelen van schaalbare, geautomatiseerde en on‑site constructie ondermijnd. 

Dit creëert een behoefte aan het ontwikkelen van een kunstmatig carbonatiseringsproces voor 3D‑betonprinten dat verder gaat dan traditionele uithardingstechnieken.

Als gevolg hiervan ontwikkelden de NTU‑onderzoekers een nieuw proces om de effectiviteit ervan bij het afvangen van koolstofdioxide te bestuderen.

De nieuw ontwikkelde technologie omvat een twee‑stappen extrusiesysteem. De eerste stap is het injecteren van CO2 en stoom in het mengende beton. Het mengsel incorporeert en slaat vervolgens de CO2 direct op in de betonstructuur. De CO2 en stoom in kwestie worden opgevangen als bijproducten van industriële processen. 

Deze nieuwe aanpak toonde een toename van 38.2% in bulk koolstofopname, wat een andere manier biedt om decarbonisatie in de bouw te realiseren via 3D‑printen van beton.

Het ontwerp van de propriëtaire printkopbevestiging, die de gereguleerde injectie van gas‑ en vloeistofadditieven mogelijk maakt, probeert het kritieke probleem van milieuduurzaamheid bij geautomatiseerde constructie aan te pakken. Het behandelt ook de kwestie van set‑on‑demand vereisten, maar, het belangrijkste, het gebrek aan direct beschikbare CCS‑oplossingen die compatibel zijn met 3D‑betonprinten.

Niet alleen vermindert de nieuwe methode de koolstofvoetafdruk van cement, maar het is ook aangetoond dat het de mechanische eigenschappen van beton verbetert. Dit biedt op zijn beurt grote sterkte aan de structuur in vergelijking met traditioneel 3D‑geprint beton.

Volgens het onderzoeksrapport resulteerde de integratie van CO2 en stoom in een toename van tot 50% in 3D‑printbaarheid, 45.3% in buigsterkte en 36.8% in compressieve sterkte. 

De onderzoekers concludeerden dat de monsters die werden blootgesteld aan CO2‑stoom geïntegreerd printen en open‑lucht uitharding de hoogste koolstofopname kregen. Volgens de onderzoekers:

“De gepresenteerde oplossing biedt een veelbelovende weg naar gedecarboniseerde constructie, terwijl het levensvatbare opties voor CCS uitbreidt voorbij traditionele begrensde uithardingsmethoden.”

Het team wees bovendien op de optimalisatie van printconfiguraties, mengontwerpen en de injectie van rookgassen om verspilling van zuivere kooldioxide‑voedsel te verminderen als mogelijke gebieden voor toekomstig onderzoek.

Investeerbaar bedrijf in de 3D‑printsector

Laten we nu een beursgenoteerd bedrijf bekijken dat actief is in de 3D‑printmarkt, die naar schatting $17.5 billion waard is in 2024 en naar verwachting zal groeien met een CAGR van 16.4% tot $37.4 billion in de komende vijf jaar, en zo vooruitgang boekt in de sector en de wereld ten goede verandert.

1. Stratasys Ltd.

Stratasys is een bekende naam in de 3D‑printsector en biedt oplossingen voor meerdere sectoren. Technologieën van het bedrijf hebben bijgedragen aan de vooruitgang in het 3D‑printvakgebied. 

Met een marktkapitalisatie van $689.5 million market cap, Stratasys heeft zijn aandelen momenteel handelend tegen $9.66, een daling van 32.35% dit jaar. Het bedrijf heeft een EPS (TTM) van -1.32 en een P/E (TTM) van -7.30.

Voor Q3 van 2024 rapporteerde een omzet van $140.0 million, een stijging ten opzichte van $162.1 million die in hetzelfde kwartaal vorig jaar werd geregistreerd. Met deze cijfers ziet de terugkerende consumptiegoeder van het bedrijf al acht opeenvolgende kwartalen jaar‑op‑jaar groei, wat het bedrijf verklaarde als “een weerspiegeling van voortdurende sterke printerbenutting.”

De groei van de GAAP‑brutomarge van Stratasys verbeterde tot 44.8%, terwijl de GAAP‑nettoverlies $26.6 million bedroeg, en de non‑GAAP‑netto‑inkomsten begonnen winstgevend te worden. $4.5 million aan cash werd gerapporteerd als gebruikt in de bedrijfsvoering, en de operationele cashflow van het jaar tot nu toe blijft positief.

Met deze sterke cijfers heeft Stratasys zijn outlook voor het volledige jaar 2024 verhoogd. Volgens die cijfers rapporteerde het $580 mln in revenue of $570 million, Non‑GAAP net income of $5 million, and capital expenditures of $20 million.

“We zijn erin geslaagd het bedrijf te transformeren door kostenoptimalisatie en door ons te richten op groeikansen met een hoger potentieel.”

– CEO Dr. Yoav Zeif zei destijds

Hij merkte verder op dat het belangrijkste F3300‑platform van het bedrijf veel aandacht krijgt terwijl het blijft uitbreiden naar de belangrijkste doelsectoren, waaronder gezondheidszorg, automotive en lucht‑ en ruimtevaart.

Volgens Dr. Zeif zal het herstructureringsplan van het bedrijf vanaf volgend jaar $40 million in jaarlijkse kostenbesparingen opleveren.

“We zijn goed gepositioneerd om in 2025 een verhoogde omzetgroei, winstgevendheid en cashflow te leveren, om de opgehoopte vraag aan te pakken zodra de marktomstandigheden verbeteren.”

– Dr. Zeif

Klik hier om alles te leren over investeren in Stratasys Ltd. (SSYS )

Conclusie

Beton is al eeuwenlang een hoeksteen van de menselijke ontwikkeling, maar het is niet zonder gevaren. De milieu‑impact van beton wordt een ernstig probleem, waardoor er een dringende behoefte ontstaat aan betere oplossingen. De nieuwste technologie van NTU‑onderzoekers is zo’n ontwikkeling die de juiste kant op gaat. Door gebruik te maken van additive manufacturing‑principes heeft 3D‑betonprinten traditionele processen herdefinieerd en duurzaamheid bevorderd. 

Naarmate de wereld worstelt met stedelijke expansie en klimaatverandering, kunnen innovaties zoals 3D‑betonprinten de wereld helpen te voldoen aan de groeiende en complexe bouwbehoeften, terwijl de schadelijke effecten worden gemitigeerd. En hoewel er uitdagingen blijven op het gebied van opschaling en standaardisatie, kan 3D‑printen na verloop van tijd, naarmate de technologie verbetert en breed wordt geadopteerd, een sleutelrol spelen bij het vormgeven van de infrastructuur van morgen.

Klik hier voor een lijst van top additive manufacturing en 3D‑printaandelen.