Hoe milieuvriendelijk is de 3D-printrevolutie voor de bouw?:

08
May
2014
Hoe milieuvriendelijk is de 3D-printrevolutie voor de bouw?
Bij 3D-printen wordt aan de hand van een digitaal model een driedimensionaal object geprint. Door de hoge mate van flexibiliteit en de ogenschijnlijk oneindige mogelijkheden, wordt 3D-printen door velen (zie artikel:3D Printing Will Change the World, van de Harvard Business Review) gezien als de productiewijze van de toekomst. 3D-printen heeft echter zowel milieutechnische voor- als ook nadelen. In dit artikel belichten we de verschillende milieu- en gezondheidsaspecten van het 3D-printen.
 
Het 3D-printproces
Bij 3D-printen beweegt een printkop over een 3D-as (X-Y-Z) waarbij een object laag voor laag wordt uitgeprint. Door dit laag voor laag printen is het printproces een stuk minder efficiënt in het energieverbruik als bij producten die niet met een 3D-printer worden geproduceerd. Deze processen zijn immers jarenlang steeds verbeterd en daardoor vaak efficiënter geworden. Bij 3D-printen heeft deze optimalisatie nog niet plaats (kunnen) vinden en kost het relatief veel energie om producten op deze manier te produceren.
 
Een voordeel bij 3D-printen is dat het in de meeste gevallen lokaal en kleinschalig gebeurt. Hierdoor kan gemakkelijk gekozen worden voor lokaal gewonnen duurzame energie, van bijvoorbeeld zonnepanelen of een windturbine.  
 
Op het gebied van materiaalgebruik is het printproces wel geoptimaliseerd. Dit komt doordat alleen het materiaal geprint wordt, wat daadwerkelijk nodig is voor het product. Hierdoor is er geen of nauwelijks verlies tijdens het printproces. Traditioneel worden productonderdelen vaak gegoten of gewalst waarna er stukken uitgefreesd en gesneden worden. Dit leidt tot materiaalverlies.
 
Printbare materialen
Voor 3D-printen zijn er verschillende materialen geschikt. Er kan gekozen worden voor verschillende soorten plastic, zandsteen, beton en zelfs metaal en keramische materialen behoren tot de mogelijkheden. Al deze materialen verschillen op het gebied van uiterlijke verschijning, kosten, mechanische eigenschappen, technische levensduur en de mogelijkheid om details aan te brengen. Sommige 3D-printers kunnen ook meerdere materialen tegelijk printen waardoor complexe objecten geprint kunnen worden.
 
De milieu-impact van materialen kan onderling sterk verschillen. Om inzicht te krijgen in welke materialen het milieuvriendelijkst zijn, kan van elk 3D-printmateriaal en proces een Levenscyclusanalyse (LCA) worden gemaakt. 
 
Door de vele LCA’s die het NIBE heeft gemaakt, weten we dat de milieu-impact van plastics en metalen aanzienlijk kan zijn. Maar er zijn wellicht mogelijkheden om de milieu-impact te verlagen door het gebruik van bijvoorbeeld biobased plastics. Een voorbeeld hiervan is polymelkzuur (biologisch) geproduceerd kan worden uit de stengels van rietsuiker, bijkomend voordeel is dat deze plastics ook biologisch afbreekbaar zijn. Meer informatie over dit materiaal is te vinden op duurzaam geproduceerd.
 
Daarnaast zijn er diverse andere opties voor het gebruik van grondstoffen uit gerecyclede grondstoffen, zoals gerecycled plastic, metaal of beton. 
Verschillende soorten materialen waarmee 3D-geprint kan worden, van diverse plastics tot keramiek en zandsteen en metalen. 
 
Risico’s voor de gezondheid 
3D-printers kunnen relatief klein worden opgesteld waardoor ze, net als 2D-printers, op de werkplek worden geïnstalleerd. Doordat er veelal wordt gewerkt met plastics die gesmolten worden, kunnen er gevaarlijke emissies optreden. Het is aan te raden de printer in een aparte en goed geventileerde ruimte te zetten of voor een dichte 3D-printer te kiezen. 
Meer informatie over de emissies van 3D-printers is te vinden in de publicatie van Brent Stephens van de Illinois Institute of Technology, Chicago, USA: “Ultrafine particle emissions from desktop 3D-printers”
 
Transport en opslag
Bij een traditioneel productieproces zijn er veel transportmomenten, doordat de productie vaak op verschillende momenten en locaties plaats vindt. Bijvoorbeeld een aluminium kozijn, hierbij wordt de bauxiet gewonnen, waarna deze wordt getransporteerd naar een smelter, waarna deze ze weer transporteert naar een fabriek die er profielen van maakt, deze transporteert ze weer naar een fabriek die  coating aanbrengt, etc. (zie afbeelding hieronder). 
 
Tussen al de productie fases worden in een traditioneel productie proces de producten getransporteerd. Vaak gebeurt dit transport over grote afstanden omdat veel productielocaties op plekken gelegen zijn waar de arbeid goedkoop is (meestal Afrika en Azië) en de producten vaak naar de rijkere landen gaan (Amerika en Europa). Bij 3D-printen zijn de afstanden en de transporthandelingen een stuk kleiner, doordat de grondstoffen (na een kleine verwerking) direct naar de gebruiker getransporteerd kunnen worden. Hierdoor wordt er in de meeste gevallen bespaard op transportkosten. Doordat het 3D-printen geheel geautomatiseerd gebeurd, is de locatie ook minder afhankelijk van de lokale arbeidsprijzen en arbeidsomstandigheden. Doordat 3D-printen minder afhankelijk is van de locatie kan dit zowel op milieu, als op financieel gebied voordelen opleveren.
 
Schema van het transport bij 3D-printen en bij traditioneel productie
 
Doordat er met 3D-printen alleen de producten worden geproduceerd die daadwerkelijk nodig zijn, is de benodigde voorraadruimte beperkt. Dit scheelt in de hoeveelheid opslagruimte en in het klimatiseren ervan. Ook dit is zowel een milieutechnisch als een financieel voordeel. Het risico van een voorraad is ook dat er over geproduceerd wordt. Voor de Nederlandse bouwsituatie zal dit voordeel echter nauwelijks aanwezig zijn. 
 
In anderen branches zou dit voordeel groter zijn. Bijvoorbeeld bij een spijkerbroek; Een kledingzaak heeft over het algemeen een aanzienlijk aantal merken en modellen spijkerbroeken die in een grote verscheidenheid aan maten op voorraad zijn. De winkel heeft hiervoor een grote opslagruimte nodig. In het geval van een geprinte spijkerbroek, kunnen de maten ter plekke worden opgenomen en na een kopje thee is de perfect passende spijkerbroek klaar. Het enige wat nodig is, zijn de grondstoffen voor de spijkerbroek en een 3D printer.
 
Afvalverwerking van 3D-geprinte objecten
Het verwerken van 3D-geprinte objecten na gebruik in de afvalfase is op dit moment nog vaak problematisch, omdat de verbindingen monolithisch (homogeen) worden geprint. Hierdoor is een eenvoudige demontage van verschillende materialen voor recycling lastig. Indien hier in het ontwerpproces rekening mee gehouden wordt kan dit probleem grotendeels worden voorkomen. De meeste printmaterialen (zoals de kunststoffen en de metalen) zijn goed te recyclen, een interessant voorbeeld hiervan is de RecycleBot . 
 
De 3D printer zelf
3D-printers zijn er in alle vormen en maten. De meeste frames bestaan uit een beperkte hoeveelheid materiaal. 3d-printers bestaan uit staal, hout of zelfs karton. Verder bestaat een printer uit één of meerdere printkoppen, een printplaat, een motortje en een aansturingssysteem voor de printkop. De 3D-printer bestaat uit een beperkte hoeveelheid materialen en er zijn dus ook geen grote milieu-investeringen voor nodig. Er zijn zelfs zeer kleine 3D-printers te vinden die door een handige “doe-het-zelver” in elkaar geklust kan worden (meer informatie over de doe-het-zelf 3D-printer). Hoe meer 3D-printen er met en printer gemaakt worden, hoe kleiner wordt de milieu-impact van de printer zelf per object. Het is dus relatief gunstig om de printer zoveel mogelijk te gebruiken. 
Om de milieu-impact en de kosten te beperken zou het goed zijn als de toekomstige buurtcentra/winkels voorzien worden van 3D-printers. Van deze initiatieven zijn al diverse voorbeelden, bijvoorbeeld het fablab. Naast dat er materialen bespaard worden doordat er minder 3D-printers gemaakt hoeven te worden, biedt het ook de mogelijkheid voor de inzameling en recycling van bijvoorbeeld plastics (of anderen materialen) om te gebruiken voor 3D-printen. Ook zullen deze 3D-printcentra goed te combineren zijn met lokale groene energieopwekking, door bijvoorbeeld zonnepanelen.
 
Foto van Fablab Bergen op Zoom. (bron afbeelding:www.fablabbergenopzoom.nl)
 
Milieuvriendelijkheid is afhankelijk van de toepassing
Zoals altijd is het antwoord op de vraag of iets duurzaam is, niet eenduidig ja of nee, maar afhankelijk van de context. Dit geldt ook voor 3D-printen. Het is de vraag of een 3D-printer die alleen gebruikt wordt om gadgets (wat nu nog vaak het geval is) te printen, duurzaam is. 
 
Bijvoorbeeld het kunstproject van Markus Kayser, die een 3D-printer ontwikkelde die volledig werkt op zonne-energie en als grondstof zand gebruikt. Deze printer wordt uitgezet in de woestijn, waarbij zowel de energiebron als de grondstoffen in overvloed aanwezig zijn, een prachtig concept dus. Het enige nadeel is dat de 3D-printer nu ‘alleen nog maar’ gadgets print. Met deze 3D-printer kunnen ook bijvoorbeeld gevelelementen of bijvoorbeeld dakelementen geprint worden voor de lokale bevolking.
 
Video van het kunstproject van Markus Kayser 3D-printer met als grondstof zand en als energiebron de zon.
 
 
Doordat de 3D-printers in opmars zijn, komen er bijna dagelijks nieuwe en zeer functionele 3D-geprinte voorbeelden bij. Hieronder een korte selectie van een aantal mooie voorbeelden;
  • Diverse bouwmaterialen zoals gevelelementen en interieur elementen. Tot zelfs hele huizen van gerecycled beton. (link),
  • Een 3D-geprint grachtenhuis (link naar de video),
  • Gemakkelijk en snel maken van prototypes waardoor voornamelijk het designproces sneller kan verlopen.(link
  • Verschillende objecten om producten te repareren. Zoals een klepje voor het ventilatiesysteem. Vaak wordt een installatie/huishoudelijk apparaat geheel vervangen als een klepje of een onderdeel kapot gaat. Met een 3D-printer kunnen materialen gemakkelijk vervangen worden waardoor een apparaat nog jaren mee kan gaan,
  • Medische toepassingen zoals deze kunstschedel die laatst is geïmplementeerd. Meer info (link).
 
De toekomst van 3D-printen in de bouw
3D-printen wordt gezien  als de 3de revolutie in de industriële en bouw, en heeft in potentie grote milieutechnische voordelen. Om dit milieutechnische voordeel volledig te benutten, is er nog veel optimalisatie en kennisontwikkeling nodig.
Het NIBE heeft al meer dan 20 jaar ervaring met duurzaam bouwen en is gespecialiseerd in het onderzoeken en verduurzamen van het productieproces van bouwmaterialen. Deze kennis zetten we graag ook in bij het maken van milieuclassificaties en productieonderzoek naar het 3D-geprinte productieproces. Hopelijk kunnen we op korte termijn de eerste 3D-geprinte producten toetsen in ons milieuclassificatiesysteem (zie: www.nibe.info).