Aktivní otáčení trysky pro 3D tisk betonu: Technologie, principy a výhody ve stavebnictví

V posledních letech pronikají do tuzemských médií první příklady využití technologie 3D tisku neboli aditivní výroby ve stavebnictví. Palcové titulky typu „V Číně vytiskli za 24 h deset domů“ poutají pozornost široké veřejnosti, podněcují nekritická očekávání, která přehlušují nezralost a omezení této technologie, a připisují jí téměř zázračné vlastnosti. Realita je však taková, že jsme schopni s řadou omezení a zatím neekonomicky tisknout části svislých nosných a kompletačních konstrukcí, zatímco tisk celých budov včetně systémů domovní techniky zatím zůstává v oblasti vizí.

Stavebnictví je velmi specifickým oborem, vyznačujícím se významnými rozdíly oproti ostatním oblastem hospodářství. Zvyšující se požadavky na stavby, tlak na cenu a na úspornost nejen výstavby samotné, ale celého životního cyklu staveb s ohledem na trvalou udržitelnost začínají narážet na limity dosud využívaných technologií i způsobů plánování a řízení staveb. Podniky jsou zároveň s tímto tlakem nuceny čelit změnám na trhu práce a nezájmu mladých lidí, kteří před stavebnictvím upřednostňují sektor služeb v čele s IT. Stavebnictví tak jako jeden z pilířů hospodářství vyžaduje zásadní změnu.

Digitalizace a Průmysl 4.0 ve stavebnictví

Touto potřebnou změnou se zdá být přechod na čtvrtou průmyslovou revoluci, která začala po roce 2010 a staví na využití tzv. kyberneticko-fyzikálních systémů a digitalizaci celého životního cyklu výrobků. Nutnou podmínkou přechodu stavebnictví na takový systém se jeví digitalizace celého životního cyklu staveb, tj. od návrhu a přípravy staveb, která byla postupně digitalizována masivním rozšířením technologií počítačového navrhování v čele s CAD (počítačem podporované navrhování) a po roce 2002 i nástupem technologie BIM (Building Information Modelling) neboli informačního modelování staveb, což je proces vytváření, užití a správy dat o stavbě během jejího životního cyklu.

S rozvojem počítačů se vedle BIM začínají objevovat i další novátorské přístupy, které zásadním způsobem mění přístup k návrhu spotřebních výrobků, strojů i staveb. Velmi perspektivními se jeví tzv. parametrické a generativní navrhování.

• Parametrické navrhování spočívá v tvorbě geometrie počítačem prostřednictvím projektantem sestaveného skriptu s volitelnými parametry, který v sobě uchovává celou historii návrhu a umožňuje výslednou geometrii změnou parametrů kdykoliv modifikovat.
• Generativní navrhování je proces, při kterém je výsledná forma generována algoritmem na základě okrajových podmínek, fyzikálních parametrů a předem zadaných cílů návrháře jako je cena, hmotnost, konstrukční materiál atd. Jedním z cílů tohoto přístupu, napodobujícího přírodní principy evoluce živých organismů, může být tzv. topologická optimalizace, tj. optimalizace vnějšího tvaru i vnitřní struktury průřezu tak, aby byl materiál maximálně využit.

Zásadním rozdílem oproti dnešnímu způsobu navrhování je skutečnost, že namísto jedné varianty návrhu generuje tato technologie ve výsledku soubor až tisíců funkčních variant. Úlohou projektanta je v tomto případě vhodně sestavit algoritmus, cíle a okrajové podmínky a poté vybrat variantu, která nejlépe vyhovuje cílovým požadavkům.

Čtěte také: jak zvolit správnou trysku pro akrylové barvy

Digitální fabrikace a 3D tisk

Digitalizované technologie postupem času vytvořily samostatnou skupinu výrobních metod zvanou digitální fabrikace. Tyto pokročilé výrobní nástroje přináší možnost přesné fyzické interpretace virtuálních modelů výrobků (CAD, BIM, mračno bodů), která by byla zvláště u složitých tvarů velmi obtížně realizovatelná ruční výrobou. Fyzická realizace výrobků s přesností danou limity stroje je v digitální fabrikaci možná prostřednictvím digitálních výrobních CNC zařízení s využitím technologie CAM (počítačem podporovaná výroba).

3D tiskem nebo též aditivní výrobou se rozumí proces tvorby 3D fyzických objektů z digitálního 3D modelu s využitím aditivního (nanášecího) procesu, kdy je materiál umísťován pouze na místa budoucího objektu. Vše začíná vytvořením virtuálního 3D návrhu objektu, který chceme zhmotnit, a jeho převodem do formátu pro 3D tisk. Model je poté upraven ve speciálním CAM programu zvaném obvykle slicer (plátkovač), který rozřeže 3D model na vodorovné plátky. Fyzický objekt je vytvořen postupným pokládáním na sebe navazujících vrstev nebo linií materiálu, odpovídajících slicerem generovaným plátkům.

Význam 3D tisku ve stavebnictví

Ve stavebnictví začínají technologie 3D tisku pronikat do řady oblastí, značného rozšíření dosáhly v tisku zmenšených architektonických modelů, objevují se ale již i první příklady využití ve stavební výrobě samotné, a to v kompletačních konstrukcích, v interiérech i v systémech TZB. O potenciální perspektivnosti 3D tisku ve stavebnictví nicméně svědčí skutečnost, že jsou do jeho výzkumu a vývoje investovány značné částky. Kalifornská společnost Contour Crafting, založená Behrokhem Khoshnevisem, oznámila v červnu 2017 odprodej 30% podílu firmy rakouskému výrobci bednění Doka s tím, že v roce 2018 začne dodávat na trh tiskárny schopné vytisknout rodinný dům za dva dny. Technologii 3D tisku začínají zkoumat i globální stavební dodavatelské firmy jako Skanska, AECOM nebo Vinci ve spolupráci s univerzitami nebo se startupy jako je Winsun, CyBe, Apis-Cor nebo XtreeE. Do sektoru vstupují i výrobci stavebních hmot jako firmy Lafarge, Holcim, BASF nebo DuPont s cílem vyvinout specializované materiály pro 3D tisk.

Materiály pro 3D tisk ve stavebnictví

V 3D tiskárnách vyvíjených pro oblast stavebnictví je využíváno široké spektrum materiálů, jejichž použití závisí na tiskové technologii. Existující projekty využívají geopolymery, hlínu, kov, plasty, stavební recyklát a kompozitní materiály často s příměsí umělých nebo skelných vláken. Medializované příklady technologií tisku z betonu se z důvodů popularizace dopouštějí technického zjednodušení už v pojmenování použitého materiálu. Jde například o malou velikost maximálního zrna kameniva z důvodu snadného prostupu tryskou (průměr trysky se pohybuje u většiny projektů v řádu maximálně desítek milimetrů, maximální velikost zrna je tedy méně než 4 mm).

Princip a technologie tisku betonových směsí

Nejběžnější tisková technologie ve stavebnictví je obdobou nejrozšířenější metody 3D tisku pro plast, tj. tavného nanášení. Jako tiskový materiál může využívat vedle cementových malt také sklo, nepálenou hlínu a různé typy plastů. Metoda spočívá v nanášení provazců tiskového materiálu obvykle v horizontálních vrstvách na podkladní konstrukci. Linie provazců vznikají vytlačováním předem smísené směsi plniva s pojivem a dalšími aditivy z trysky o průřezu v jednotkách desítek mm² v místě požadované tištěné konstrukce. Při tisku touto metodou je zásadní rychlý náběh únosnosti vrstev tak, aby vrstva byla schopna unést sama sebe a také být podporou návazné vrstvě, tištěné v dalším záběru nad ní, a to bez deformací. Tento problém je nejčastěji řešen řízeným urychlováním tuhnutí materiálu. V případě této technologie nastává problém u konstrukcí se šikmými stěnami, což je u stolního 3D tisku z plastů řešeno tiskem dočasných podpor, které se po vytištění celého výrobku odstraní.

Čtěte také: Tisk na dřevo: krok za krokem

Metody pro vytlačování cementové malty poprvé využil Behrokh Khoshnevis. Jeho tým na technologii, rozšířené o řadu originálních zlepšení a patentované pod názvem Contour Crafting, pracuje již od roku 1997. Tato technologie, která se stala základem stejnojmenné firmy, je založena na originální tiskové hlavě s třemi tryskami a hladítky, které upravují povrch.

Parametry 3D tisku betonových směsí

• Základní popis tisku po vrstvách: Při technologii 3D tisku je stavební (tiskový) materiál (beton, plast...) nanášen (tištěn) tiskovou hlavou (extruderem) po vrstvách na sebe. Celý proces je řízen pomocí tiskových dat, která popisují celý tiskový proces vyráběného objektu. Pokud nedojde k následné úpravě povrchu, což u tisků z betonu je velmi technologicky, finančně i časově náročné, jsou vrstvy vždy vidět a musíme s nimi při návrhu objektu počítat.
• Výška vrstvy: Výška tištěné vrstvy je výška materiálu, který je nanesen při jednom průchodu tiskové hlavy vybraným bodem. Pohybuje se v rozmezí 8 - 20 mm, obvyklá je 10 nebo 12 mm. Vzhledem k faktu, že vyráběné betonové objekty jsou větších rozměrů, doporučujeme používat vyšší vrstvy.
• Šířka tiskové stopy: Šířka tiskové stopy (vrstvy) určuje sílu stěny vašeho objektu. Závisí na průměru výstupní trysky tiskové hlavy a množství vytlačovaného betonu, který přes ni prochází. Její šířka se pohybuje v rozmezí 15 - 55 mm. Obvykle se používá hodnota 25 a 30 mm. V některých případech je vhodné místo jednoduché použít zdvojenou tiskovou stopu.

Průměr trysky ovlivňuje množství detailu téměř výhradně v rovině rovnoběžné s podložkou (XY). To znamená, že s menší tryskou budete schopni mnohem detailněji vykreslit například text, pokud je umístěn na horní straně výtisku. Na druhou stranu výška vrstvy ovlivňuje množství detailu na stěnách a šikmých plochách výtisku. Na organicky vypadajících modelech si velmi snadno všimnete jednotlivých vrstev a čím menší výšku vrstvy použijete, tím lepšího výsledku dosáhnete.

Tabulka níže shrnuje vliv různých průměrů trysek na 3D tisk:

Mosaz je nejčastěji používaným materiálem pro trysky 3D tiskáren, nabízí vynikající přenos tepla za relativně nízkou cenu. Ocel je dalším oblíbeným materiálem pro trysky, protože nabízí o něco lepší odolnost proti opotřebení než mosazné trysky. Rubínové trysky se řadí do luxusní třídy trysek pro 3D tiskárny, poskytují dodatečnou odolnost proti opotřebení, což je obzvlášť užitečné při zpracování speciálních filamentů.

Inovace v 3D tisku betonu: Projekt 3D-STAR

V rámci projektu 3D-STAR probíhá vývoj zařízení 3D tisku cementových kompozitů, tisk tenkostěnných konstrukčních prvků a jejich testování. Pohonem projektu je vize využití technologie jak pro nosné stěnové konstrukce patrových staveb, tak pro stropní konstrukce těchto budov. Technologie 3D tisku cementových směsí má oproti klasickým betonovým konstrukcím řadu odlišností. Mezi výhody této technologie patří možnost tisknout tvarově složité prvky, jejichž realizace je jinak extrémně komplikovaná, systemizovat stavbu patrových staveb a optimalizovat celkové materiálové a časové náklady stavby.

Čtěte také: Digitální tisk samolepek A3 a jejich laminace

3D tisk cementových kompozitů otevírá možnost optimalizace tvaru prvku z hlediska minimalizace spotřeby materiálu při dosažení maximální pevnosti nebo tuhosti prvku. Tvarová optimalizace z hlediska spotřeby materiálu přirozeně vede k navrhování tenkostěnných prvků, u kterých je jejich pevnost a tuhost zajištěna nikoliv tloušťkou materiálu, ale jeho vhodným tvarováním do tenkostěnných útvarů, jako jsou skořepiny a lomenice a jejich odlehčením vhodně umístěnými otvory.

Vývoj tiskové hlavy a materiálových směsí

Prvním krokem v realizaci řešeného projektu byl vývoj a výroba robotické pohybové soustavy - TestBed na Technické univerzitě v Liberci. Pracovní prostor TestBedu je 3×1×1 m v osách x, y, z, což umožňuje testovat tisk směsi na objektech měřítkem srovnatelným s reálnou stavbou. Čerpání cementové směsi do tiskové hlavy je řešeno vřetenovým čerpadlem s nádobou na čerstvou směs umístěným před tiskovým prostorem.

S důrazem na odstranění problémů pozorovaných u první tiskové hlavy byla naprojektována druhá tisková hlava ve verzi uzavřeného systému bez zásobníku. Po experimentálním ověření několika druhů vyvíjených tiskových směsí a nastavení bylo přistoupeno k variantě přidávání tekutého urychlovače tuhnutí přímo v tiskové hlavě. Urychlovač tuhnutí je nutné co nejlépe promísit s tiskovou směsí, a to poměrně rychle a na velmi krátké vzdálenosti v tiskové hlavě těsně před tryskou. Pro tento účel byl vyvinut systém speciálně tvarovaných pohyblivých lopatek mechanicky spřažených s pohonem dávkování tiskové směsi.

Pro účely 3D tisku byl vyvinut vlastní jemnozrnný materiál s pojivem na bázi cementu. Smyslem vývoje vlastní směsi bylo mít možnost volné modifikace směsi na základě požadavků na samotný tisk, a to z hlediska finálních materiálových vlastností, zrnitosti, a hlavně konzistence směsi. Parametry aktuálně používané směsi jsou pevnost v tlaku na úrovni 40-50 MPa.

Optimalizace procesu tisku

Postupným definováním požadavků na betonovou tiskovou směs a tištěné konstrukční prvky bylo rozhodnuto vyvíjet variantu vstřikování kapalného urychlovače v poslední fázi tisku. Jednou z hlavních výhod tohoto řešení je rychlá reakce na změny okolních klimatických podmínek, která je velmi obtížná při variantě tisku směsi s práškovým urychlovačem v sypké směsi. Další výhodou je i jistota, že při zastavení tisku nebude urychlená směs tuhnout v dopravním hadicovém systému. Rychlost tuhnutí je významným faktorem pro tisk sloupových prvků, které mají v jedné vrstvě poměrně krátkou stopu a tím i nutnost co nejkratší doby tuhnutí.

Pro čerpání a vstřikování urychlovače bylo použito zubové čerpadlo se senzorem průtoku, aby bylo možno regulovat průtok a současně vyrovnávat protitlak v hadičkách dopravujících kapalný urychlovač. Tato varianta systému čerpání, vstřikování urychlovače a extruze cementové směs se prozatím ukázala jako nejvhodnější z hlediska možnosti okamžité kontroly tisku a optimalizace procesu obsluhou.

Příprava dat a tiskové strategie

Samotnou a nedílnou disciplínou 3D tisku je příprava dat pro tisk. Od tvarování samotných tiskových objektů až po volbu vhodné tiskové strategie a parametrů. Pro první pokusy řízení Testbedu byl použit ručně psaný G-kód, později byl připraven skript v grafickém programovacím prostředí Grasshopper pro Rhinoceros3D. Tento slicer také umožňuje zadat tiskovou dráhu s proměnnou zetovou souřadnicí - jednotlivé tiskové vrstvy tak nemusí být pouze vodorovné - tzv. non-planar printing.

V rámci řešení projektu byl na Technické univerzitě v Liberci vyvinut program Starslicer, který je komplexnějším řešením, optimalizovaným pro tisk cementových směsí. V základu obsahuje možnost nastavení mnoha parametrů, jako například přizpůsobení rychlosti tisku požadovanému tiskovému času na jednu vrstvu nebo možnost spirálové dráhy tisku a plně využívá možností testovací platformy.

Testování a aplikace

Základním stavebním kamenem 3D tisku jsou fyzikálně mechanické parametry vytištěných objektů, případně jejich dílčích částí. V úvodní fázi projektu byly zkoušeny vzorky připravované řezáním z vytištěných prvků tak, by by

Technologie a principy aktivního otáčení trysky pro 3D tisk betonu

V několika posledních letech začínají ze světa pronikat i do tuzemských médií první příklady využití technologie 3D tisku neboli aditivní výroby ve stavebnictví. 3D tiskem se rozumí proces tvorby 3D fyzických objektů z digitálního 3D modelu s využitím aditivního procesu, kdy je materiál umísťován pouze na místa budoucího objektu. Tato inovace představuje přechod na čtvrtou průmyslovou revoluci, která staví na využití tzv. kyberneticko-fyzikálních systémů a digitalizaci celého životního cyklu výrobků.

Princip technologie 3D tisku betonu

Nejběžnější tisková technologie ve stavebnictví je obdobou nejrozšířenější metody 3D tisku pro plast, tj. tavného nanášení. Metoda spočívá v nanášení provazců tiskového materiálu obvykle v horizontálních vrstvách na podkladní konstrukci. Linie provazců vznikají vytlačováním předem smísené směsi plniva s pojivem a dalšími aditivy z trysky o průřezu v jednotkách desítek mm² v místě požadované tištěné konstrukce. Celý proces je řízen pomocí tiskových dat, která popisují pohybové informace, jako je trajektorie, a technologické informace, například rychlost pohybu hlavy či rychlost podávání tiskového materiálu.

U portálové tiskárny je možné tiskovou hlavu nastavit do libovolné polohy. Tiskárna nanáší tiskový materiál ve vrstvách a vytvořením dvou paralelních tiskových drah se vytvoří dutá stěna, která se zalije monolitickým betonem. Při tisku touto metodou je zásadní rychlý náběh únosnosti vrstev tak, aby vrstva byla schopna unést sama sebe a také být podporou návazné vrstvě, tištěné v dalším záběru nad ní. K dosažení optimálních výsledků se využívá speciální CAM program zvaný obvykle slicer, který rozřeže 3D model na vodorovné plátky.

Konstrukce trysky a mechanika nanášení

Hlavní funkcí trysky je tvarovat a ukládat tisknutou směs tak, aby odpovídala požadované geometrii výrobku. V rámci výzkumu je řešen konstrukční návrh úpravy trysky pro kontinuální 3D tisk betonových směsí pro již existující tiskovou hlavu. Využití takto navržené trysky může vést ke značnému zrychlení výroby a zvýšení kvality výrobků. Významnou roli hraje také materiál trysky, přičemž trysky pro 3D tiskárny jsou k dispozici v různých průměrech a jsou vyrobeny z různých kovů, jako je mosaz, ocel nebo trysky s rubínovými špičkami.

Šířka tiskové stopy určuje sílu stěny vašeho objektu a závisí na průměru výstupní trysky tiskové hlavy a množství vytlačovaného betonu. Pro tisk betonových směsí platí, že průměr trysky se pohybuje u většiny projektů v řádu maximálně desítek milimetrů. Vliv parametrů trysky shrnuje následující tabulka:

Technologie aktivního vedení a robotizace

V moderní výrobě se prosazují systémy, kde je robotem vedená tryska hvězdou celého zařízení. Prvním robotem vedená tryska pracuje ruku v ruce s druhým robotem, který přebírá paralelní vybavování stavebního tělesa. Tato automatizovaná metoda umožňuje vyrábět 3D tiskem dokonce i nosné betonové díly z jednoho kusu. Součástí systému je často varianta přidávání tekutého urychlovače tuhnutí přímo v tiskové hlavě, což je nutné co nejlépe promísit s tiskovou směsí na velmi krátké vzdálenosti těsně před tryskou.

Pro tento účel byl vyvinut systém speciálně tvarovaných pohyblivých lopatek mechanicky spřažených s pohonem dávkování tiskové směsi. Díky tomu dochází k urychlení tuhnutí směsi v rámci 3 až 5 minut po extruzi, což umožňuje rychlý tisk. Při přípravě dat se využívá parametrické a generativní navrhování, kde je výsledná forma generována algoritmem na základě okrajových podmínek a fyzikálních parametrů.

Výhody využití technologie ve stavebnictví

3D tisk ve stavebnictví lze využít k vytváření stavebních komponent a specifických dílů, ale také k tisku celých budov. Mezi hlavní přínosy patří:

• Bezpečnost práce: Lze znatelně snížit počet úrazů, protože robotika se může postarat o nejvíce nebezpečné práce.
• Efektivita materiálu: Stavební projekty umožňují použít přesně takové množství materiálu, jaké je potřeba, s téměř nulovým odpadem.
• Rychlost výstavby: Použité stroje mohou pracovat velmi rychle a nepotřebují pravidelné přestávky jako lidé; hrubá stavba může být dokončena za desítky hodin.
• Architektonická svoboda: Atypické konstrukce nejsou pro 3D tiskárny žádnou překážkou, což umožňuje realizovat tvary volných forem založené na zakřivených plochách.
• Udržitelnost: Přesné použití materiálů vede k výraznému snížení emisí CO₂ a možnosti recyklace materiálů.

Z hlediska statiky 3D tisk cementových kompozitů otevírá možnost optimalizace tvaru prvku z hlediska minimalizace spotřeby materiálu při dosažení maximální pevnosti nebo tuhosti. Tvarová optimalizace přirozeně vede k navrhování tenkostěnných prvků, jako jsou skořepiny a lomenice. Výsledkem moderních projektů je komplexní systém 3D tiskového zařízení, pomocí kterého je nyní možné ladit cementovou směs z hlediska nejrůznějších požadavků praxe.

tags: #aktivniho #otaceni #trysky #pro #3d #tisk

Oblíbené příspěvky:

• Modulární řešení pro výstavbu
• Předpisy požární bezpečnosti
• Vše o cementovém potěru
• proč zvolit vápenopískové zdivo
• Vše o kotvách Fischer pro tepelnou izolaci fasád