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, beton helpt bij het bouwen van structuren die we elke dag gebruiken. 

Het is absoluut geen nieuw materiaal. Sterker nog, de vroegste vermeldingen van betonnen constructies dateren uit 6500 v.Chr. in de regio's Syrië en Jordanië. En dan zijn er natuurlijk nog de Romeinen die uitgebreid gebruik maakten van beton bij hun bouw. ​​En nu, eonen later, staan ​​veel van deze constructies er nog steeds.

In de loop der jaren is het gebruik van beton alleen maar toegenomen, waarbij de wereldwijde betonmarkt op $ 687.2 miljard in 2021. Het wordt verder verwacht tegen 821.6 zal dit naar verwachting zijn gegroeid tot 2026 miljard dollar, wat aantoont welke rol beton speelt in ons leven. 

Deze uitbreiding wordt gereden door de groei van de bouwsector en de toenemende investeringen in nieuwe bouwprojecten over de hele wereld. Economische groei en snelle verstedelijking dragen ook bij aan de stijgende vraag naar woon- 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 nog steeds vraag is naar cement, en dat al eeuwenlang, waarom is het eigenlijk zo populair? En is het wel allemaal goed? Nou, laten we dat eens uitzoeken!

Beton: de gevaarlijke behoefte van de wereld

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

Hierbij is cement, een kunstmatig mengsel van onder andere calcium, ijzer, silicium en aluminium, het bindmiddel dat beton verhardende eigenschappen geeft en water activeert het cement en zorgt ervoor dat er een dicht materiaal ontstaat. 

Wat dit composietmateriaal zo waardevol maakt, zijn de eigenschappen ervan, waaronder de kneedbaarheid (het vermogen van vers gemengd beton om in bijna elke vorm te worden gegoten) en de duurzaamheid (wat betekent dat het vele jaren mee kan gaan). Dit betaalbare materiaal kan verder op maat worden gemaakt om aan verschillende bouwbehoeften te voldoen.

Andere aantrekkelijke eigenschappen van beton zijn het gebruiksgemak, de sterkte en het vermogen om niet alleen zware lasten en drukspanningen te weerstaan, maar ook zware weersomstandigheden en natuurrampen zoals aardbevingen en orkanen.

Daarnaast is beton warmtevasthoudend, brandwerend en gemakkelijk te repareren bij schade. Al deze eigenschappen maken cement tot een zeer waardevol product, waardoor het gebruik ervan enorm is toegenomen.

Als het gaat om concrete use cases, heeft het verschillende toepassingen in de bouwsector. Beton is eigenlijk het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld na water. Het is gebruikt voor de bouw van dammen, bruggen, snelwegen, luchthavens, wegen, kanalen, reservoirs en bestrating, maar ook voor woongebouwen, commerciële complexen en andere dragende constructies.

Simpel gezegd is beton een fundamenteel materiaal in de bouwsector en speelt het een cruciale rol bij het vormgeven van de infrastructuur om ons heen. 

Maar dat wil niet zeggen dat beton alleen maar voordelen biedt. Sterker nog, het is extreem gevaarlijk. 

Om te beginnen is cement verantwoordelijk voor 1.6 miljard ton van koolstofdioxide (CO2), wat neerkomt op ongeveer 8% van de wereldwijde CO2-uitstoot. En de uitgebreide afhankelijkheid van de bouwsector van cement vergroot de immense COXNUMX-voetafdruk.

Ondertussen is de productie van gewoon Portlandcement (OPC) verantwoordelijk voor 5% tot 8% van de wereldwijde antropogene CO2-uitstoot. Wanneer geëxtrapoleerd voor alle bouwgerelateerde activiteiten, is de laatste onderzoek laat een alarmerend beeld zien: bijna 40% van de energiegerelateerde CO2-uitstoot is afkomstig van deze sector, die 36% van de totale energie in de wereld verbruikt.

In deze is uiterst zorgwekkend omdat de CO2-uitstoot worden geprojecteerd om een ​​recordhoogte te bereiken van 37.41 GtCO2. CO2-uitstoot is ook de voornaamste oorzaak van de opwarming van de aarde, en volgens het IPCC zal de opwarming van de aarde in het huidige tempo nog steeds toenemen. wordt verwacht tussen 1.5 en 2030 2052 °C boven het pre-industriële niveau zal uitkomen.

Gezien de gevolgen van beton voor het milieu, terwijl het jaarlijkse verbruik ervan 30 miljard ton bedraagt ​​en wordt verwacht Om blijvend te kunnen groeien, is het belangrijk dat iedereen, van vernieuwers tot organisaties en overheden, dit probleem rechtstreeks aanpakken.

Bouwen met 3D-printen 

Beton is, zoals we hierboven al aangaven, een noodzakelijk kwaad. Het heeft een aantal grote voordelen en is cruciaal voor de beschaving, maar het is ook schadelijk voor de planeet. Deze planeet kampt namelijk al met ontbossing, klimaatverandering, verlies aan biodiversiteit en nog veel meer. 

Voeg beton toe aan de mix en de zaken zullen veranderen voor slechts erger worden. Maar wat nou als er een manier is om de schadelijke effecten van dit populaire bouwmateriaal aan te pakken? 

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

Er is nog een andere oplossing, en dat is 3D-printen. Precies! Dezelfde methode die... gebruikt worden Het maken van kunst, meubels en andere consumentenproducten, samen met forensisch onderzoek, protheses en chirurgie, verandert ook de spelregels voor de bouw. 

3D-printen of additieve productie, waarbij driedimensionale objecten worden gemaakt van een digitaal bestand door materiaal in lagen op te leggen, wint steeds meer aan populariteit vanwege de voordelen van snelle prototyping, personalisatie, kostenbesparing, minder materiaalverspilling, het stimuleren van innovatie en duurzaamheid. 

Deze technologie is nu wordt gebruikt in de bouw, wat op zich niets nieuws is, aangezien 3D-printen voor het eerst in de bouw werd gebruikt vele decennia geledenHet gebruik van 3D-printen is de afgelopen jaren echter aanzienlijk toegenomen om het proces aanzienlijk te versnellen, het materiaalgebruik te optimaliseren, ingewikkelde ontwerpen en op maat gemaakte structuren te verkennen, op afstand bouwen te vergemakkelijken en de veiligheid te verbeteren.

Tot de vele voordelen van 3D-printen behoren onder meer kortere toeleveringsketens omdat er op locatie gebouwd kan worden en een aanzienlijke afname van gevaren op de werkplek, omdat er minder handmatige arbeid nodig is bij risicovolle handelingen.

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

ICON, een privébedrijf, print niet alleen woningen, maar is ook betrokken bij defensie en off-world constructie. Minder dan tien jaar geleden, ICON heeft in totaal $ 451 miljoen opgehaald, waardoor de waarde ervan is gestegen tot ongeveer 2 miljard dollar. Het bedrijf is feitelijk door NASA ingehuurd om landingsplaatsen, schuilplaatsen en andere structuren op de maan als onderdeel van het Artemis-maanverkenningsprogramma van het agentschap.

In 2018 bouwde het bedrijf het eerste toegestane 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 zei:

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

Voor de gemeenschap in Texas gebruikt het bedrijf zijn Vulcan-printer, die veel weg heeft van een gewone desktop 3D-printer, en pijpen laag voor laag. Het verschil met deze Vulcan-printer is dat hij 45 voet breed is en 4.75 ton weegt. 

Wat het proces betreft, wordt betonpoeder gemengd met zand, water en andere additieven en vervolgens in de printer gepompt. Het betonmengsel wordt dan uitgeperst door een spuitmond op een borstel, die laag voor laag een voorgeprogrammeerd pad volgt.

De robotprinter heeft 100 3D-geprinte huizen gebouwd in wat naar eigen zeggen 's werelds grootste 3D-geprinte gemeenschap is. Omdat 3D-printen sneller en goedkoper is, de verspilling van bouwmateriaal wordt geminimaliseerd en er minder personeel nodig is, brengt het volgens het bedrijf "veel efficiëntie op de markt".

In deze is echter nog maar het begin, zoals blijkt uit de groei van de 3D-printbouwmarkt wordt verwacht om te zien. De wereldwijde markt voor 5.5D-printconstructie, die vorig jaar een waarde had van $ 3 miljard, wordt geprojecteerd om te groeien met een CAGR van 105.8% om een ​​enorme $ 3.3 biljoen door 2032. 

Deze cijfers lijken in eerste instantie misschien verbijsterend, maar zoals we in ons vorige artikel al schreven, zou 3D-printen een mogelijke oplossing kunnen zijn voor het nijpende probleem van het woningtekort. Daarmee wordt het doelbedrag van een biljoen dollar een reële mogelijkheid.

Gezien de enorme belangstelling voor 3D-printen in de bouw, is het ook logisch om deze technologie te gebruiken om de bouwmarkt ten goede te veranderen. En dat is precies wat wetenschappers van Nanyang Technological University (NTU) in Singapore doen.

De onderzoekers gingen nog een stap verder of dieper door het beton zelf te 3D-printen. Hiervoor hebben ze een 3D-betonprintmethode ontwikkeld die koolstof vastlegt, wat een nieuwe manier laat zien om de milieu-impact van de bouwsector te verminderen.

Klik hier en ontdek of 3D-printen ons kan helpen het woningtekort aan te pakken.

3D-geprint beton dat CO2 opvangt

Eerder deze maand hebben NTU-wetenschappers publiceerden hun onderzoek over “Koolstofafvang en -opslag met in-situ CO2 en stoomgeïntegreerd 3D-betonprinten.”

In het onderzoek werd de innovatieve methode beschreven die erop gericht is de CO2-voetafdruk van cement aanzienlijk te verkleinen door het materiaalgebruik, de arbeidsbehoefte en de bouwtijd te verkorten. 

It wordt ook voorgesteld dat duurzaam Ontwikkeling door middel van 3D-betonprinten kan leiden tot een vermindering van maar liefst 5% in het wereldwijde energieverbruik. Deze milieuvoordelen zijn mogelijk gelijk aan het vermogen om bouwprocessen te stroomlijnen. 

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

Uit eerdere onderzoeken is al gebleken dat de mechanische eigenschappen van beton verbeteren door directe batchmenging met CO2 en door beton tijdens de productie bloot te stellen aan CO2 in carbonatatiekamers, waardoor een ‘carbonatatieschil’ ontstaat. 

Eerdere studies hebben een bijna 15x toename in penetratieweerstand en maar liefst 1.16% koolstofabsorptie gemeld in slechts een half uur mengen van mortel met CO2. Aanpassing van de versnelde carbonatatie-uitharding (ACC) toonde verder een koolstofabsorptie van 1.98–25.5%.

Hoewel onderzoek naar 3D-betonprinten zich grotendeels heeft gericht op het ontwerpen van groene cementmengsels om de COXNUMX-voetafdruk te verkleinen, blijkt uit het meest recente onderzoek dat een aantal bedrijven heeft overwogen om de verwerkingstechnologieën te verbeteren, met name om de capaciteit voor het opvangen en opslaan van koolstof (CCS) te vergroten. 

Studies over de carbonatatie van cementachtige materialen, met name de minimale focus op dieptes, zijn volgens de onderzoekers de reden waarom hun geschaalde implementatie zorgen oproept over de geldigheid. Bovendien kampen CCS-oplossingen met kamerbeperkingen met beperkingen in termen van hardware en energieverbruik wanneer ze worden toegepast met 3DCP. Als gevolg hiervan zijn de voordelen van schaalbare, geautomatiseerde en on-site constructie zijn gecompromitteerd.

In deze creëert de behoefte om een ​​kunstmatig carbonatatieproces voor 3D-betonprinten te ontwikkelen dat verder gaat dan traditionele uithardingstechnieken.

Daarom ontwikkelden de NTU-onderzoekers een nieuw proces om de effectiviteit van het proces bij het vastleggen van koolstofdioxide te bestuderen.

De nieuw ontwikkelde technologie omvat een tweestaps extrusie-gebaseerd systeem. De eerste stap is het injecteren van CO2 en stoom in het mengbeton. Het mengsel neemt vervolgens direct de CO2 op en slaat deze op in de betonstructuur. De CO2 en stoom in kwestie worden gevangen als bijproducten van industriële processen. 

Deze nieuwe aanpak liet een toename van 38.2% in de opname van koolstof zien, wat een nieuwe manier biedt om koolstofvrij te bouwen door 3D-geprint beton.

Het ontwerp van de gepatenteerde printkopbevestiging, die de gereguleerde injectie van gasvormige en vloeibare additieven mogelijk maakt, probeert het kritieke probleem van milieuduurzaamheidsproblemen met geautomatiseerde constructie aan te pakken. Het pakt ook het probleem van set-on-demand-vereisten aan, maar belangrijker nog, een gebrek aan direct beschikbare CCS-oplossingen die compatibel zijn met 3D-betonprinten.

Deze nieuwe methode verkleint niet alleen de CO2-voetafdruk van cement, maar verbetert aantoonbaar ook de mechanische eigenschappen van het beton. In dezebiedt op zijn beurt een grotere sterkte aan de constructie in vergelijking met traditioneel 3D-geprint beton.

Volgens het onderzoeksrapport resulteerde de integratie van CO2 en stoom in een toename van maximaal 50% in de 3D-printbaarheid, 45.3% in de buigsterkte en 36.8% in de druksterkte. 

De onderzoekers concludeerden dat de monsters die werden blootgesteld naar CO2-stoom geïntegreerd printen en openlucht uitharden kregen de hoogste koolstofopname. Volgens de onderzoekers:

“De gepresenteerde oplossing biedt een veelbelovend pad naar koolstofvrij bouwen, terwijl de haalbare opties voor CCS worden uitgebreid tot buiten de traditionele, afgesloten uithardingsmethoden.”

Het team gaf verder aan dat de optimalisatie van printconfiguraties, mixontwerpen en de injectie van rookgassen om verspilling van zuivere koolstofdioxide als grondstof te verminderen, mogelijke gebieden voor toekomstig onderzoek zijn.

Investeerbaar bedrijf in 3D-printruimte

Laten we nu eens kijken naar een beursgenoteerd bedrijf dat actief is op de markt voor 3D-printen, waarvan de waarde wordt geschat op $ 17.5 miljard in 2024 en wordt geprojecteerd met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 16.4% tot 37.4 miljard dollar in de komende vijf jaar. Daarmee wordt vooruitgang geboekt in de sector en wordt de wereld ten goede veranderd.

1. Stratasys Ltd. (SSYS )

Stratasys is een populaire naam in de 3D-printwereld en biedt oplossingen voor meerdere sectoren. Technologieën van het bedrijf hebben bijgedragen aan de vooruitgang in het 3D-printveld. 

Met een marktkapitalisatie van $689.5 miljoen marktkapitalisatie, worden de aandelen van Stratasys momenteel verhandeld voor $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, Stratasys gerapporteerd Een omzet van $ 140.0 miljoen, een stijging ten opzichte van $ 162.1 miljoen in hetzelfde kwartaal vorig jaar. Met deze cijfers vertoont de omzet van het bedrijf uit terugkerende verbruiksartikelen nu al acht kwartalen op rij een jaar-op-jaar groei, wat volgens het bedrijf "een weerspiegeling is van het aanhoudend sterke printergebruik".

De groei van de GAAP-brutomarge van Stratasys verbeterde tot 44.8%, terwijl het GAAP-nettoverlies uitkwam op $ 26.6 miljoen en de non-GAAP-nettowinst winstgevend begon te worden. $ 4.5 miljoen aan contanten werd gemeld naar worden gebruikt in de bedrijfsvoering en de operationele kasstroom van het jaar tot nu toe blijft positief.

Met deze sterke cijfers verhoogde Stratasys zijn vooruitzichten voor het volledige jaar 2024. Het bedrijf rapporteerde een omzet van $ 580 miljoen van $ 570 miljoen, een non-GAAP netto-inkomen van $ 5 miljoen en kapitaaluitgaven van $ 20 miljoen.

“We zijn succesvol begonnen met de transformatie van het bedrijf door middel van kostenoptimalisatie en door ons te richten op kansen voor hogere groei.”

– 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 de gezondheidszorg, de automobielindustrie en de lucht- en ruimtevaart.

Volgens Dr. Zeif zal het herstructureringsplan van het bedrijf vanaf volgend jaar een jaarlijkse kostenbesparing van 40 miljoen dollar opleveren.

“We zijn goed gepositioneerd om in 2025 een hogere omzetgroei, winstgevendheid en cashflow te realiseren, om zo de opgekropte vraag aan te pakken zodra de marktomstandigheden verbeteren.”

– Dr. Zeif

Klik hier voor alles over investeren in Stratasys Ltd.

Conclusie

Beton is al eeuwenlang een hoeksteen van de menselijke ontwikkeling, maar het is niet zonder gevaren. De impact van beton op het milieu wordt een groot probleem, waardoor er dringend behoefte is aan betere oplossingen. De nieuwste technologie van NTU-onderzoekers is een dergelijke ontwikkeling die de goede kant op gaat. Door gebruik te maken van additieve productieprincipes heeft 3D-betonprinten traditionele handelingen opnieuw gedefinieerd en duurzaamheid bevorderd. 

Terwijl de wereld worstelt met stadsuitbreiding en klimaatverandering, kunnen innovaties zoals 3D-betonprinten de wereld helpen om te voldoen aan de groeiende en complexe behoeften van de bouw en tegelijkertijd de schadelijke effecten ervan te beperken. Hoewel er nog steeds uitdagingen bestaan ​​op het gebied van schaalvergroting en standaardisatie, kan 3D-printen in de loop van de tijd, naarmate de technologie verbetert en breed wordt toegepast, een sleutelrol spelen bij het vormgeven van de infrastructuur van morgen.

Klik hier voor een lijst met de beste aandelen in additieve productie en 3D-printen.