The Filament Factory – Thijs van der Lely

Master among masters

The Filament Factory – Thijs van der Lely

Door: Redactie ArchitectuurNL | 13-07-2016

The Filament Factory is een fabriek in Chicago waar plastic gerecycled en omgesmolten wordt tot filament; een grondstof voor 3D printen. De fabriek is ontworpen als voorbeeld hoe dit gerecyclede filament gebruikt kan worden als bouwmateriaal en wat voor effect 3D printen zou kunnen hebben op architectuur. Door rekening te houden met detaillering, constructie en isolatie in het geprinte element kan de hoeveelheid verschillende materialen die toegepast wordt in de bouw worden teruggedrongen. Door slim om te gaan met hoe je print kan afval een nieuw bouwmateriaal worden. Thijs van der Lely studeerde cum laude af op dit ontwerp binnen de Chicago Studio op de TU Delft.

Door de jaren heen is Chicago als industriestad belangrijk geweest voor de groei van de VS. Het is op dit moment de derde grootste stad na New York en Los Angeles maar is net als Detroit zwaar getroffen door economisch turbulente jaren. Met de Complex Projects Research Studio is gekeken wat er moet gebeuren om de stad weer tot leven te wekken. Dit project is voortgekomen uit een onderzoek naar de revitalisatie van de oude industriële wijk Pilsen in de Lower West Side. Pilsen is een arme wijk met voornamelijk Mexicaans en Latijns- Amerikaanse inwoners dicht bij het centrum van de stad. De laatste jaren is het centrum zich weer aan het uitbreiden en Pilsen zal in de komende jaren mee gaan veranderen. Om deze ontwikkelingen te stimuleren is het belangrijk te kijken naar de huidige leegstand, vervuiling in het gebied maar ook naar de historische rol die het industrieel gebied had ten opzichte van de stad. De industrie zal in de toekomst een nieuwe rol moeten gaan spelen om huidige banen te behouden en nieuwe banen aan te trekken.
The Filament Factory probeert antwoord te geven op de mogelijkheid om de industrie dichter bij huis te halen en zo ook lokale economie te voeden. Made in the USA in plaats van Made in China. 3D printen en digitale fabricatie geeft kleine bedrijven en start-ups de mogelijkheid om snel te fabriceren en minder uit te besteden. Technologie en digitalisatie van processen kunnen hier een grote rol in spelen. Een vraag die hierbij gesteld moet worden is waar zullen de grondstoffen vandaan komen voor deze nieuwe industrie?

Plastics en afval

Chicago is een van de grootste steden van de VS, maar helaas ook een van de meest vervuilende. Slechts 8% van het afval wordt gerecycled wat in vergelijking met New York (65%) en Los Angeles (75%) een significant verschil is. Dit gekoppeld aan het feit dat de VS het meest vervuilende land ter wereld is, maakt de achterstand dubbel zo groot. Bij de huidige methode van afvalrecycling is vooral plastic een groot probleem. 12% van het totale afval is plastic maar slechts 34% hiervan kan worden gerecycled. Alleen hard plastics (bv flessen) groter dan 10*10 cm kunnen gefilterd worden door de machines die nu worden gebruikt. Wanneer stoffen niet gerecycled kunnen worden, worden deze op grote afvalstortplaatsen gedumpt buiten de stad, die vervuilend zijn voor de omgeving.
Door de opkomst van 3D printers, die gebruik maken en afhankelijk zijn van plastic, wordt het nóg belangrijker een oplossing te vinden. Maar hierin lijkt de printer ook een oplossing te zijn voor het probleem. De grondstof van het printen is een spoel met plastic draad, ook wel filament, genoemd. Deze spoelen zijn gemakkelijk te produceren en kunnen uit oud plastic getrokken worden. Hierdoor kan de ‘onbruikbare’ afvalstortplaats gaan dienen als wingebied van nieuwe grondstoffen.

Bouwen met afval

Magnetic Density Separation (MDS) is een nieuwe techniek die ontwikkeld door een joint venture van Urban Mining Corps en de TU Delft. Met MDS is het mogelijk om plastics te recyclen met een efficiency van 77%, bovendien kan tot 10*10 micrometer plastic gefilterd worden. Eindproducten kunnen zuiver ABS, PLA, PET of andere plastics zijn, incidenteel dezelfde soort plastics die gebruikt worden in de 3D-print industrie. The Filament Factory is een fabriek die gebruik maakt van het MDS zuiveringssysteem en die machines heeft die het gezuiverde plastic omsmelten naar 3D printer filament. Het architectonische en bouwtechnische ontwerp laat zien wat deze techniek kan gaan betekenen voor de bouw. Op dit moment is de bouwsector nog de grootste producent van niet-biologisch afbreekbaar afval in Chicago. Ook op wereldniveau is de bouwsector een van de meest belastende afvalproducenten. Gebruik van afvalplastic om bouwelementen te printen zou een gebouw bijna volledig recyclebaar maken. Aan het einde van de gebruikstijd van het bouwblok wordt deze omgesmolten en weer ingezet om een nieuw blok te produceren.

3D printen en plastics

Voor het ontwerp van The Filament Factory is geprobeerd de 3D printer zo effectief mogelijk te gebruiken en zo min mogelijk additionele materialen toe te voegen (1). Plastic is een materiaal dat druk en trek kan weerstaan, maar het kan niet geknikt worden. Om de krachten te optimaliseren is het ontwerp gedefinieerd als een hangend net. Deze hangende vorm utiliseert de drukkrachten zo efficiënt mogelijk en zou in theorie zonder verbinding kunnen blijven staan. Om vrijheid aan de opdrachtgever en fabriekseigenaar te geven tijdens het ontwerpproces, is een computerprogramma geschreven waar dit hangende net gemakkelijk gesimuleerd kan worden en de fabriek in 3D schets kan worden weergegeven. Wanneer het ontwerp voldoet aan de wensen en eisen van de ontwerper en opdrachtgever, maakt het programma een eindbestand dat naar de printer verzonden wordt.

Ontwikkeling van het ontwerp

De recycle fabriek is de eerste test van het script. De programmatische opzet van het gebouw is zo uitgevoerd dat op de werkvloer een lineaire proceslijn van de fabriek geoptimaliseerd is. Daardoorheen is een bezoekersroute gevlochten met werkruimtes, vergaderruimtes, een researchlab en een bezoekerscentrum. Dit alles speelt zich af op een gerationaliseerd grid. Vanuit vloeropzet zijn funderingslijnen uitgezet op locaties tussen de ruimtes. Hierdoor wordt een zo groot mogelijk vloeroppervlakte mogelijk gemaakt. Vanuit dit grid en de funderingslijnen wordt het algoritme ingezet en de initiële vorm bepaald. Het algoritme simuleert een hangend net met daarin daglicht-openingen en in- en uitgangen. Nadat de initiële vorm is bepaald wordt het net opgedeeld in elementen die geprint kunnen worden. Deze elementen worden vervolgens gedetailleerd op functie, locatie en bouwvolgorde. De dikte van de elementen wordt verder geoptimaliseerd aan de hand van de draagkracht. Wanneer alles in de vorm is geïntegreerd kunnen fabricatiecodes uit het computerscript gehaald worden om het printen van de elementen te beginnen.

Een nieuw type detail

Door gebruik te maken van de 3D printer wordt alles in een enkel materiaal geprint. Zowel de details als de isolatie en constructie worden in dit proces meegenomen. Het resultaat is een fabriek die aan het einde van gebruik afgebroken kan worden, waarna het materiaal opnieuw ingezet kan worden. Elementen maken van een enkel materiaal, waarin vorm en functie samenkomen, is niks nieuws. Neem een dakpan: Het aansluitingsdetail, functionele functies van de vorm en de sturing van waterafdracht bepalen hier de vorm. Alleen door de vrijheid van de printer kan de connectie veel gedetailleerder zijn tussen elementen. Het gevolg is een detail en element dat in drie richtingen krachten kan opnemen maar ook gemakkelijk uit elkaar gehaald kan worden. Hierdoor kunnen de elementen vervangen worden bij eventuele schade. De randen van de elementen worden gegroefd geprint om frictie te verhogen en hierdoor schuifkrachten tegen gaan. De groeven zorgen er ook voor dat elementen tijdens stapeling recht gepositioneerd worden ten opzichte van elkaar, om zo aansluitingsfouten te verkleinen. De connectie tussen twee elementen wordt vervolgens versterkt door een metalen clip die een permanente drukkracht tussen twee elementen uitoefent. Deze clip neemt ook trekkrachten op die door wind en weer ontstaan.

Resultaat

Binnen Chicago wordt 533 miljoen kg plastic op jaarbasis weggegooid. Geschat wordt dat ca. 15% daarvan ABS plasticmateriaal is dat gebruikt wordt als grondstof voor 3D print plastics.
The Filament Factory bestaat uit 2693 blokken en gebruikt 12 miljoen kg plastic. Indien The Filament Factory op volle capaciteit werkt (2), zal het in 106 dagen het plastic afval kunnen verwerken tot bouwmateriaal. Aangezien de printtijd ook een belangrijke rol speelt tijdens de bouw, kan direct begonnen worden met printen tijdens het inzamelen van plastic. Hierdoor kan de bouw van de fabriek binnen een relatief korte tijd volledig gerecycled en geprint worden.
The Filament Factory is een fictief plan dat is ontworpen in de context van Chicago maar kan ook in andere steden gebouwd worden. De printcapaciteiten van huidige printers zijn al ver genoeg om de fictieve elementen te printen maar er wordt rationeel rekening gehouden met de ontwikkelingen van de printindustrie. Toekomstverwachtingen van ontwikkelingen in printsnelheid en -resolutie zullen veel invloed hebben op de haalbaarheid van de fabriek.

noot 1 Indien andere materialen gebruikt zijn zal dit niet de kwaliteit van het plastic recyclen benadelen om het recycle-proces zo effectief en schoon mogelijk te maken.
noot 2 Hier zou een recycle efficiency nodig zijn van 50%. Dit is een stuk hoger dan de huidige 8% in Chicago maar een stuk lager, en daardoor haalbaar, dan de top 10 best recyclende steden van de US.

Tekst, ontwerp en beeld: Thijs van der Lely

Commentaar afstudeerbegeleiders Complex Projects, TU Delft

Ik heb Thijs leren kennen als een gedreven en intelligente student. De groep waarin Thijs zat tijdens de analysefase heeft een gedegen visie geformuleerd voor het revitaliseren van de oude industriewijk Pilsen. Met het introduceren van nieuwe, lokale en duurzame productieactiviteiten in dit gebied, was het klip-en-klaar wat zijn programma en gebouwontwerp moest worden. Een gebouw waarin alle soorten kunststoffen gerecycled kunnen worden én waar grondstof wordt geproduceerd (Filament) voor 3D printers. Het ontwerp is geoptimaliseerd voor dit productiemateriaal en programma. Zijn interesse in en zijn kennis van het materiaal en toepassingsmogelijkheden stegen ver boven het kennisniveau van een gemiddelde student. Ik prijs zijn onderzoekende houding om tot en met detailniveau doortastend te blijven in het vinden van de juiste oplossingen voor zijn eigen geformuleerde opgaven; namelijk het maximaal benutten van de kwaliteiten en eigenschappen van het materiaal! Als hij deze houding in zijn loopbaan weet vast te houden, kijk ik uit naar de ingenieuze creaties die hij zal realiseren.

Suzanne Groenewold

Bouwen met de 3D printer. Het gevaarlijke van dit onderwerp is dat het nieuwtje er al (jaren) af is. Het geprinte gebouw geldt al lange tijd als een grote belofte. De beloftes zijn echter nog niet ingelost. Experimenten komen moeizaam op gang en er zijn nog weinig succesvolle voorbeelden gerealiseerd. Dat biedt nog mogelijkheden voor exploraties.
Thijs heeft succesvol de gevaren van de clichés ontweken door te blijven innoveren. Hij heeft niet geprobeerd conventionele bouwmethoden te vertalen naar de 3D-printer maar steeds gekeken naar wat de mogelijkheden zijn met deze nieuwe techniek als uitgangspunt. Daarnaast is hij ook heel pragmatisch te werk gegaan. Zo heeft het model van de aloude dakpan hem geïnspireerd tot de verbinding tussen de geprinte bouwelementen. De veelkleurigheid van de gebruikte afvalmaterialen zijn ingezet als onderdeel van het ontwerp.
Het leuke is dat deze pragmatische aanpak niet heeft geleid tot een compromis maar tot een spectaculaire architectonische vorm; een bijna gotische industriële typologie. Het maakt nieuwsgierig naar de mogelijkheden van gestapelde bouwvormen en gebouwen voor andere programma’s.

Mick van Gemert

Dit artikel is gepubliceerd in ArchitectuurNL 3 2016 in de serie Master among masters

Gerelateerd

Tags: , , , , , , ,

    Schrijf een reactie