ELstudio

“Even Clay wants to be something” Inhoudelijk verslag startsubsidie stimuleringsfonds creatieve industrie Erno Langenberg / ELstudio

INHOUD 1. Projectomschrijving - 3 2. Werkperiode in het Europees Keramisch Werkcentrum - 6 • Inleiding • Impressie studio • Beelden eindtentoonstelling / open studio • Prototypes digitale fabricage van gietmallen • Prototypes 3Dprinten van klei 3. 3D-printen van Architectuur in de context - 19 • Inleiding • 20 jaar 3D-printen van architectuur • Blog www.3dprintingarchitecture.net • Interviews • Sociale media

‘If you think of Brick, you say to Brick, ‘What do you want, Brick?’ And Brick says to you, ‘I like an Arch.’ And if you say to Brick, ‘Look, arches are expensive, and I can use a concrete lintel over you. What do you think of that, Brick?’ Brick says, ‘I like an Arch.’ And it’s important, you see, that you honor the material that you use. [..] You can only do it if you honor the brick and glorify the brick instead of shortchanging it.’’ (Louis Kahn. Transcribed from the 2003 documentary ‘My Architect: A Son’s Journey by Nathaniel Kahn’. Master class at Penn)

ELStudio Erno Langenberg Willem de Zwijgerlaan 343 HS 1055 RB Amsterdam Tel: +31(0)614786227 www.ELstudio.nl [email protected]

1. Projectomschrijving Digitale fabricage & traditionele architectuur

De wijze van produceren van gebouwen is in de loop der tijd geëvalueerd van een lokaal ambacht tot een globale en energie intensieve industrie. Traditionele architectuur, waarin lokale middelen en producten ingezet worden om een lokaal klimaat te weerstaan met een geringe impact op het milieu, is ontwikkeld tot een industrie die verantwoordelijk is voor een aanzienlijke deel van het wereldwijde water- en energiegebruik, uitstoot van broeikasgassen en de productie van afval. Zij maakt dus logischer wijze onderdeel uit van de oplossing van het milieuprobleem.

Om als oplossing volledig terug te gaan naar deze traditionele architectuur lijkt geen optie die past binnen de huidige context omdat deze veel arbeid en (verloren) vakmanschap vergt en niet voldoet aan moderne kwaliteitseisen. De digitalisering van productiemiddelen heeft de productie echter radicaal veranderd en heeft het mogelijk gemaakt om te produceren met een hoog nauwkeurigheidsniveau, aanzienlijke tijd-efficiëntie en het vermogen om te gaan met een hoge mate van complexiteit en variantie, waarmee het een mogelijke oplossing bied voor het verloren gegane vakmanschap en de arbeidsintensieve bouwwijze. Dit doet vermoeden dat door de kennis van klimaat adaptief bouwen in traditionele architectuur te combineren met digitale fabricage processen een nieuwe duurzame architectuur mogelijk is. Dit vermoeden is de basis van het onderzoek ‘Even clay wants to be something” waarin wordt gezocht naar mogelijkheden om opnieuw duurzaam gebouwen te produceren van lokale materialen door de kennis van traditionele bouwwijzen te vertalen naar de huidige context met behulp van digitale fabricagetechnieken. Nieuwe ambacht & keramiek Digitale fabricage vereist een goede kennis van de ambachtelijke tradities. Om te kunnen ontwerpen voor digitale fabricage is het nodig om een gevoel te krijgen van de materiaaleigenschappen en het proces van fabricage tot assemblage goed te begrijpen. Het denken in materialen in plaats van producten wordt weer belangrijk in het ontwerp. Het gaat niet om het samenstellen van een gebouw uit gestandaardiseerde en geprefabriceerde bouwmaterialen, maar om volledig vanaf het begin de uitgangspunten, materiaal en fabricage op elkaar af te stemmen. Dit vergt een nieuw soort kennis; een nieuwe ambachtelijkheid. Voor dit onderzoek is er gekozen deze nieuwe ambachtelijkheid te onderzoeken op het gebied van de keramiek. Keramiek is een eeuwen oud materiaal en veel gebruikt in onze directe omgeving met zeer uiteenlopende toepassingen van dakpannen, baksteen en riolering tot sanitair en servies. Vanwege de familiariteit en uiteenlopende functionaliteit, is het een zeer geschikt materiaal om de te onderzoeken wat de digitale fabricage ervan kan bijdragen aan de architectuur. Bovendien is de natuurlijke grondstof klei wereldwijd verkrijgbaar en dus uitermate geschikt voor fabricage tot locale duurzame producten. De keuze voor het onderzoeken van digitale fabricage van keramiek heeft er toe geleid om een werkperiode in het Europees Keramisch Werkcentrum (ekwc) te ondernemen om deze kennis te vergroten. Het startsubsidietraject bestond hierdoor uit twee delen: een werkperiode in het ekwc en een vervolgonderzoek waarin de resultaten binnen de context van de huidige bouwpraktijk zijn geplaatst.

Lokaal materiaal

Lokaal

Globaal

Lokale digitale productie

Lokaal

Minder transport

Monoliet materiaal is beter recyclebaar

Efficiënter gebruik

Verleden

Heden

Toekomst ?

? Het uitgangspunt van het onderzoek “Even clay wants to be something” is het idee dat de meeste inheemse bouwmethoden weinig tot geen milieu-impact hebben in vergelijking met de geïndustrialiseerde wijze van bouwen maar veel arbeid en (verloren) vakmanschap vergen en niet voldoen aan moderne kwaliteitseisen. De onderzoeksvraag is of we met behulp van digitale fabricagetechnieken opnieuw duurzame gebouwen kunnen produceren met locale materialen door te leren van traditionele (inheemse) architectuur, low-tech klimaatadoptatie en low-tech constructietechnieken.

Even clay wants to be something

4

Het 3D-printen heeft de potentie de bouwketen te veranderen; van een traditioneel circulair lokaal systeem, via het huidige globale lineaire systeem naar een nieuw circulair systeem waarin lokale productie gecombineerd wordt met globale kennis.


5

2. Werkperiode in het Europees Keramisch Werkcentrum

Zoals eerder omschreven is een gedegen kennis van materialen en fabricageprocessen noodzakelijk om ontwerpuitgangspunten te formuleren voor digitale fabricage. De eerste stap in het onderzoek is dan ook om deze kennis te vergroten middels een werkperiode aan het Europees Keramisch Werk centrum in Den Bosch. Het Europees Keramisch Werkcentrum (ekwc) opereert als een artist-in-residence centre en een centre of excellence. Het doel is om de ontwikkeling van keramische kunst, design en architectuur te promoten. Jaarlijks verblijven in de residency ongeveer 45 professionele kunstenaars, ontwerpers en architecten om te experimenteren met keramiek voor een periode van drie maanden. Het centrum bied naast ateliers, werkplaatsen, de meest geavanceerde apparatuur en leefruimte ook de steun van een team van specialisten. Bovendien moedigt het ekwc, als centre of excellence, haar medewerkers en deelnemers aan onderzoek te doen op artistiek en technisch gebied. De verworven kennis en inzichten worden gedocumenteerd en internationaal verspreid door middel van publicaties, tentoonstellingen, masterclasses en conferenties. Het ekwc werkt samen met kunstacademies, de keramische industrie, verschillende wetenschappelijke onderzoekscentra , musea en galeries in de vorm van speciale projecten. Tijdens de werkperiode worden er drie presentaties georganiseerd door het ekwc. De eerste twee presentaties zijn intern waarbij zowel de staf als de andere deelnemers aanwezig zijn. Deze bijeenkomsten zijn vooral bedoel voor kennisdeling en onderlinge vakinhoudelijke discussies. De derde presentatie is publiek en heeft de vorm van een open studio waarbij meerdere deelnemers hun eindresultaat exposeren.

Digitale fabricage van keramiek Tijdens de werkperiode is zowel theoretisch als praktisch onderzoek gedaan (literatuuronderzoek, expertmeetings, empirisch onderzoek) met als doel om door middel van materiaalexperimenten en het maken van prototypes en computermodellen handvatten en ontwerpuitgangspunten te formuleren voor vervolgonderzoek. Tijdens deze 3 maanden zijn de mogelijkheden van digitale productie van keramiek onderzocht met de nadruk op materiaaleigenschappen en het fabricageproces, wat resulteerde in een aantal prototypes en kennis van de verschillende productieprocessen (van computermodel tot product). Na een algemene introductie in de verschillende keramische fabricage technieken met bijbehorende voor- en nadelen zijn twee digitale fabricage technieken verder onderzocht: het digitaal frezen van gietmallen en het 3D-printen van klei.

Digitale fabricage bestaat uit subtractieve of additieve processen. Subtractieve processen, zoals CNCfrezen, zijn gebruikelijker in de bouw; er wordt gestart met een bestaand product (een plaat hout) waarop een bewerking wordt gedaan. Bij deze techniek ontstaat restafval, zijn zowel de afmetingen als de mogelijkheden voor innovatie beperkt. Bij additieve technieken, zoals 3D-printen, worden (vloeibare) grondstoffen samengevoegd tot één geheel. Hierdoor ontstaat (bijna) geen afval, de afmetingen in theorie onbeperkt en zijn de mogelijkheden voor innovatie groter. CNC-frezen van mallen Traditioneel worden de mallen voor het gieten van klei gemaakt op basis van een origineel object (positief), waarvan een negatieve afdruk in gips wordt gemaakt: de gietmal. Bij het digitaal frezen van de mallen kan het maken van het origineel overgeslagen worden en kan de negatieve gietmal direct van een digitaal computer bestand uit gips geproduceerd worden. Het proces wat hierna volgt om een keramisch product te maken is gelijk aan het traditionele proces; de mal wordt volgegoten met vloeibare gietklei, uitgegoten en moet drogen, waarna het rauwe klei object eventueel geglazuurd en gestookt wordt in een oven. De mallen kunnen een (beperkt) aantal keren gebruikt worden.

Het digitaal frezen van de mallen heeft een aantal voordelen boven de traditionele wijze van fabriceren: het is makkelijker om ingewikkelde vormen te maken en het is mogelijk om eenvoudiger alternatieven of variaties van een vorm te produceren (doordat een computermodel beter aanpasbaar is dan een origineel fysiek object). Als voorbeeld wordt de techniek gebruikt voor het maken van unieke dakpannen voor renovatieprojecten; de originele (kapotte) pan wordt gescand en vervolgens in de computer bewerkt (geschaald) als correctie voor de krimp van de klei die optreed tijdens het drogen en stoken. Dit is met traditionele methoden een stuk lastiger; het gecorrigeerde ‘origineel’ moet op het oog gemaakt worden. Een nadeel van mallen dat echter niet verdwijnt door digitale fabricage is het feit dat de vormen losbaar moeten zijn (beperking in vormvrijheid) en dat meerder afdrukken van dezelfde mal exacte kopieën van elkaar zijn (beperking in variatie). Dit heeft mij ertoe gebracht om het onderzoek verder te richten op het 3D-printen, wat in de huidige staat van de techniek meer beperkingen met zich meebrengt, maar voor de toekomst meer potentie heeft qua vormvrijheid en variatiemogelijkheden.

3D-printen Voor de digitale additieve fabricage (3D-printen) van keramiek zijn grofweg twee verschillende technieken te onderscheiden. De eerste is gebaseerd op het binden van poeder door middel van een laser of vloeibaar bindmiddel. De tweede op het gecontroleerd extruderen van vloeibare klei door middel van een robot arm of portaal. Beide technieken hebben zo hun voor en nadelen. De eerste methode bied meer vormvrijheid, maar is beperkt tot het gebruik van slechts één materiaal. Bovendien vergt het een duurdere en ingewikkeldere machine en is de kwaliteit van het geprinte materiaal vrij broos waardoor het veel nabewerking nodig heeft.

Vanwege mijn achtergrond in de architectuur gaat mijn interesse uit naar de tweede techniek, omdat ik hier meer kansen zie voor het opschalen van het productie volume en de afmeting tot de maat van een gebouwdeel. Deze 3D-print techniek stond op het moment van de werkperiode nog in de kinderschoenen. De ontwikkelingen op dit gebied gaan zeer snel, de resultaten geven dan ook een goed beeld van de stand van zaken tijdens de werkperiode en een aanzet tot verder ontwikkeling van de techniek. Tijdens de werkperiode zijn experimenten gedaan met het printen van verschillende soorten klei inclusief mogelijke toevoegingen, verschillende wijze van extuderen (mechanisch en hydraulisch) en verschillende vormen (print paden). Het succes van de print hangt af van de complexe samenhang tussen vele zeer diverse factoren; de geometrie van het object, het pad voor de printer, de samenstelling en pasteusiteit van de klei, de extrusiesnelheid, printersnelheid, etc. Op de volgende pagina’s staan enkele afbeeldingen en verdere uitleg van testen en prototypes die geproduceerd zijn.

Vervolgonderzoek Tijdens het experimenteren met het 3D-printen van klei ondervond ik een aantal beperkingen, zoals de noodzaak tot continue printen (een specifiek probleem voor 3D-printen d.m.v. extrusie). Dit probleem is onlangs opgelost, een tweede beperking echter nog niet, deze komt voort uit simpel feit dat materiaal niet kan zweven en dus bij een laag voor laag benadering alleen op een onderliggende laag geprint kan worden omdat het anders instort. Om betere geprinte keramische producten mogelijk te maken is het, naar mijn idee, noodzakelijk dit probleem op te lossen. Om vervolgonderzoek hiernaar te kunnen doen heb ik een aanvraag gedaan voor een bijdrage binnen de context van de open oproep experiment (Print&Burn) welke ondertussen is toegekend. De weg van de experimentele fase naar succesvolle commerciële toepassingen in de bouwindustrie is nog lang. Het is, zoals in het begin aangegeven, een lang proces om opnieuw uitgangspunten, materiaal en fabricage goed af te stemmen (het nieuwe ambacht). Ik zie echter veel potentie, bijvoorbeeld op het gebied van mass-customisation van slimme, gewichtsbesparende keramische bouwelementen en unieke keramische elementen voor renovatie of designobjecten.


De studio en werkplekken in het Europees Keramisch Werkcentrum.

8

Beelden van de eindpresentatie / open studio.


9


Beelden van de eindpresentatie / open studio.

10

Bezoekers tijdens de eindpresentatie / open studio.


11

Prototype keramische bouwelementen, gegoten in digitaal gefreesde mallen. Samen vormen de elementen een gedeelte van een zelfdragende dakconstructie, zonder gebruik te maken van bevestigingsmiddelen of mortel. De structuur is hol, met de mogelijkheid om bijvoorbeeld overtollig regenwater af te voeren of te vullen met een ander materiaal ter isolatie of stabilisatie.


12

Prototype keramische bouwelementen, gegoten in digitaal gefreesde mallen. Samen vormen de elementen een gedeelte van een zelfdragende (binnen) wand, zonder gebruik te maken van bevestigingsmiddelen of mortel. De structuur is hol, met de mogelijkheid om bijvoorbeeld overtollig regenwater af te voeren of te vullen met een ander materiaal ter isolatie of stabilisatie.


13

Het digitale 3D model voor de gietmal van de wandelementen wordt direct in een gipsblok gefreesd, zonder gebruik te maken van een positieve moedermal.

De voorbeelden op de volgende pagina’s zijn experimenten met het 3D-printen van klei. Om de toepasbaarheid van het te ontwikkelen proces te vergroten is er in eerste instantie voor gekozen om een zo simpel mogelijke klei te gebruiken die overal verkrijgbaar is en betaalbaar. Zowel het ontwerp van de geometrie als de aansturing van de 3D-printer worden gestuurd door dezelfde computerscripts (Rhino-Grasshopper). Dit bied enkele voordelen voor de ontwerper. Zo kunnen in het ontwerpproces snel aanpassingen gedaan worden waardoor verschillende ontwerpvarianten eenvoudig geprint en getest kunnen worden (korte snelle feedbackloop). De klei kan in dit proces, als het resultaat niet naar wens is, weer opnieuw gebruikt worden (recyclebaar). In het productieproces heeft het als voordeel dat de mogelijkheid ontstaat om meerdere varianten van hetzelfde script te produceren (mass-customisation).

3D printen met klei... niet alle experimenten zijn succesvol... Even clay wants to be something

15

Prototype van een 3D-geprint keramisch bouwelement voor een scheidingswand. De vorm van de componenten komt voort uit de wens om een bouwelement te maken dat stapelbaar is zonder bevestigingsmiddel in combinatie met de (huidige) mogelijkheden van de printer. Om de printer goed te laten werken is het noodzakelijk dat het object is opgebouwd uit één continue lijn. Met dit gegeven als uitgangspunt is een vorm bepaald die stapelbaar is, door zijn meerdere symmetrieassen. Deze vorm kan vervolgens in het script aangepast worden in afmeting en uitvoering (van hoekig naar circulair). De afbeelding boven aan de pagina toont een screenshot van het computerscherm waarop de scriptomgeving te zien is. De foto onderaan toont het uiteindelijke geprinte resultaat.


16

Prototype van een 3D-geprint keramisch bouwelement voor een zelfdragende gewelfde dakconstructie. De vorm van de componenten komt voort uit de combinatie van de wens om een geperforeerde dakconstructie te maken, bestaande uit van elkaar verschillende, zonder bevestigingsmiddel, stapelbare elementen en de (huidige) mogelijkheden van de printer. De resulterende zeshoekige elementen zijn allemaal verschillend, zowel in dikte als in openheid en richting van de opening. De dikte is afhankelijk van de plaats in het geheel (hoe hoger het element hoe dunner). De openheid van de elementen is aanpasbaar aan de ventilatiebehoefte of uitzicht. Het resultaat is een bloemachtig, bijna decoratief, bouwelement.


17

Schaalmodel met 8 geprinte verschillende varianten van het prototype 3D-geprint keramisch bouwelement. Samen vormen ze één deel van een zelfdragende gewelfde dakconstructie.


18

3. 3D-printen van Architectuur in de context In de tweede fase is onderzoek verricht naar de bredere context van het 3D-printen voor architectonische toepassingen met als doel verdere verdieping van de opgedane kennis en het delen van deze kennis en onderzoeksresultaten. Daarnaast is deze fase bedoeld om het netwerk van relevante experts uit te breiden met het oog op mogelijke implementatie in de praktijk, vervolgonderzoek en het vinden van samenwerkingspartners hiervoor. Deze fase bestond uit een aantal onderzoeken, interviews en het opzetten van het platform 3dprintingarchitecture.net.

“Mapping 20 years of 3D printing in Architecture” Als onderdeel van het onderzoek is een grote database aangelegd met hierin alle 3D-print projecten. Hieruit zijn alle projecten gerelateerd aan het 3D-printen van architectonische toepassingen bijeengezet in één infographic om een overzicht te krijgen van wat er zoal gebeurd op dit gebied. Het resultaat is een grafiek die duidelijk de explosie van het aantal verschillende projecten laat zien en de hotspots op de kaart zet. De afbeelding is vele malen gedeeld online. Interviews Naast het analyseren van data zijn enkele interviews afgenomen met partijen in het veld. In deze interviews zijn o.a. de vragen gesteld die opgenomen waren in de aanvraag. Gevraagd is of het 3D-printen bijdraagt aan het verlagen van de milieu-impact van het bouwen, wat de gevolgen zijn voor de bouwpraktijk, de architect in het bijzonder, wie de nieuwe spelers zijn en welke stappen er nog nodig zijn voor implementatie in de dagelijkse praktijk. Het bleek dat de techniek (3D-printen) voor de bouwindustrie nog zodanig nieuw is, dat de implementatie in de praktijk nog even op zich laat wachten. Op het moment wordt voornamelijk geëxperimenteerd en mogelijke gevolgen zijn nog ongewis, wat kansen bied voor de ontwerper om in dit gat te springen.

3dprintingarchitecture.net Om de resultaten uit deze fase te tonen en verdere discussie mogelijk te maken heb ik het platform 3dprintingarchitecture.net opgezet dat bestaat uit een blog, Linkedin groep en Facebook pagina. Op de blog zijn de resultaten van het onderzoek te lezen zijn. De Linkedin groep is bedoeld om deze te bediscussieerden en voor geïnteresseerden in het onderwerp om elkaar te vinden voor eventuele samenwerking. De Facebook pagina tenslotte laat zowel de eigen resultaten zien als ook andere projecten ter informatie en om een groter publiek te bereiken. (Het interview met de 3D-print pioniers WASP heeft via Facebook zo’n 1.500 lezers bereikt)

3dprintingarchitecture.net heeft een grote diverse groep van volgers en groeit nog steeds. Het platform zal ook in de toekomst bijhouden en verder ontwikkelend worden door o.a. het plaatsen van meer informatie en het afnemen van nieuwe interviews. Op de volgende pagina’s zijn afbeeldingen te zien van het platform zoals de infographic en de transscripts van de interviews. Links naar betreffende websites Blog: http://www.3dprintingarchitecture.net Facebook: https://www.facebook.com/3dprintingarchitecture Linkedin: https://www.linkedin.com/groups/3d-printing-architecture-8265122

3dprintingarchitecture is een onafhankelijk kennis- en inspiratie platform voor architecten, ontwerpers, onderzoekers, ingenieurs en fabrikanten met een interesse in additieve fabricage voor de bouwindustrie. Het doel is om innovatie te stimuleren door het delen van kennis en het verbinden van mensen. Bij deze blog hoort een Linkedin groep, waarin de discussies zich richt op zowel de technische aspecten van grootschalig 3D-printen als de verschillende doelen die de gebruikers willen bereiken.


20

De laatste jaren hebben we een hausse van projecten, onderzoeken en andere initiatieven gezien op het gebied van het 3D-printen gerelateerd aan architectuur. Om een overzicht te krijgen van wat waar gaande is, heb ik besloten om alle projecten die ik tegenkwam in een database te verzamelen en weer te geven op een tijdlijn in relatie tot de locatie op de kaart van de wereld. Deze infographic toont de snelle groei van het aantal projecten in de tijd en de hot-spots waar de ontwikkelingen plaatsvinden. Hoewel er duidelijk verschillen in belang en impact zijn tussen de verschillende getoonde projecten, zijn ze ten behoeve van deze afbeelding allen zonder onderscheid weergegeven als gelijkwaardige stippen op de lijn. Om te kiezen uit de grote hoeveelheid 3D-print projecten gebruikte ik de volgende (soms arbitraire) criteria: de projecten moeten gerelateerd zijn aan de architectuur (met een doel om gebouwen of bouwdelen te produceren), de projecten moeten meer zijn dan alleen papieren voorstellen en de gebruikte techniek moet betrekking hebben op directe fabricage (geen 3D geprinte mallen).


21


Screenshot interview met Salomé Galjaard van ARUP

22


Screenshot interview met WASP

23


Screenshot Linkedin groep 3dprintingarchitecture

24

Diverse screenshots sociale media (Facebook, twitter, Pinterest)


25

ELstudio

Recommend Documents