Revoluce v 3D tisku: Nové materiály a technologie pro udržitelné stavebnictví

O 3D tisku budov slýcháme často, ale realita na stavbě naráží na fyzikální limity. Tradiční beton totiž zraje zoufale pomalu, což celý proces brzdí, a navíc jeho výroba generuje obrovské množství emisí. Aby byla technologie smysluplná, bylo nutné najít materiál, který nebude na vytvrzení potřebovat týdny. Vědci z Oregonské státní univerzity nyní přicházejí s řešením, které může od základů změnit stavebnictví.

Ekologický biobeton a rychlé vytvrzování

Zapomeňte na portlandský cement, vypalovaný při vysokých teplotách. Nová směs sází na mnohem ekologičtější složení, jehož základem je obyčejný jíl, písek a konopná vlákna. Důležitou složkou je také biouhel, který vzniká zuhelnatěním biomasy bez přístupu vzduchu. Díky tomuto složení je směs nejen šetrná k přírodě, ale hlavně využívá suroviny, které jsou často lokálně dostupné (70 až 80 % bio-složek lze získat přímo na místě stavby), čímž odpadá náročná logistika.

Okamžitá pevnost díky chemii: Frontální polymerace

Tajemství rychlosti tkví v chemickém procesu zvaném frontální polymerace. Místo tradičního cementového pojiva drží směs pohromadě speciální pojivo na bázi akrylamidu, které se aktivuje teplem. Jakmile hmota opustí tiskovou trysku, pojivo se zahřeje na teplotu 450 °C, při které se spustí chemická reakce, a materiál během okamžiku ztuhne. Tato reakce je tak rychlá, že umožňuje pokládání dalších vrstev bez zbytečného čekání. Odpadá tak nutnost přerušovat proces a vkládat podpěry, což dříve komplikovalo tisk okenních či dveřních překladů. Tím se výrazně zrychluje celý proces stavby.

Výsledné vlastnosti směsi překvapily i samotné autory studie. Ihned po vytištění má biobeton pevnost 3 MPa, což bohatě stačí pro udržení vlastní váhy stěn. Hranice 17 MPa, vyžadované pro obytné budovy a rodinné domy, dosáhne už za pouhé tři dny.

Zkrácení doby vytvrzení na třetinu

Pro srovnání: u běžného betonu byste na stejný výsledek čekali až čtyři týdny. Finální vytvrzení (studie uvádí hodnoty více než 40 MPa) pak nastává zhruba po osmi až deseti dnech. Tak rychlé zrání umožňuje stavět kontinuálně a bez dlouhých technologických pauz. Rychlost neznamená jen pohodlí, ale v krizových situacích může zachraňovat životy. Technologie se jeví jako ideální řešení pro výstavbu přístřeší po přírodních katastrofách, kdy jde o každou hodinu. Díky využití lokálních surovin, jako je půda a rostlinné zbytky, odpadá složitá doprava materiálu na staveniště. V době globální bytové krize může tento postup nabídnout dostupnější alternativu bydlení.

Čtěte také: Výroba cementu a vápna: Klíčové milníky

Jak funguje 3D tisk betonu ve stavebnictví

Stavebnictví je odvětví postavené na staletími ověřených postupech. Cihla k cihle, tvárnice k tvárnici. Co kdybychom ale mohli celý dům „vytisknout“ během několika dnů, s minimálním odpadem a v tvarech, které byly dosud nerealizovatelné? Přesně tuto vizi přináší 3D tisk ve stavebnictví. Ačkoliv je tato technologie stále spíše v experimentální fázi, její potenciál je tak obrovský, že má sílu zcela změnit způsob, jakým přemýšlíme o stavbě domů.

Od digitálního modelu k hotové zdi

Princip 3D tisku budov je v jádru podobný klasickému stolnímu 3D tisku, jen v nesrovnatelně větším měřítku. Místo plastové struny se používá speciální, rychle tuhnoucí betonová směs. Celý proces řídí počítač.

• Digitální návrh: Vše začíná u 3D modelu budovy (BIM), který je do detailu zpracován v počítači. Tento digitální plán je následně „nařezán“ na jednotlivé horizontální vrstvy.
• Tisk: Obří 3D tiskárna, nejčastěji v podobě portálového jeřábu nebo robotického ramene pohybujícího se po kolejnicích, začne podle digitálního zadání nanášet (extrudovat) betonovou směs. Vrstvu po vrstvě, s chirurgickou přesností, tak přímo na staveništi roste obvodové i vnitřní zdivo.
• Dokončení: Po vytištění hrubé stavby přichází na řadu klasické řemeslo. Do připravených dutin ve stěnách se vkládají izolace, rozvody elektřiny a vody a osazují se okna a dveře.

Tento postup eliminuje potřebu složitého a drahého bednění, které je nezbytné pro lité betonové konstrukce, a otevírá dveře zcela novým možnostem. Při této technologii se tisková hlava pohybuje ve třech osách na pevně nainstalovaném kovovém rámu a může tak v rámci konstrukce dosáhnout libovolné polohy. Tiskárna nanáší tiskový materiál (betonovou směs) ve vrstvách. Vytvořením dvou paralelních tiskových drah se vytvoří dutá stěna, která se zalije monolitickým betonem. Na vnější straně se prostřednictvím další tiskové dráhy vytvoří další dutý prostor, který se vyplní tepelně izolačním materiálem. Již během tisku počítá tiskárna s rozvody sítí, které budou instalovány později. Tiskárna BOD2 je certifikována tak, aby se i během tisku mohlo v daném prostoru pracovat.

Revoluce ve třech klíčových oblastech

Potenciál 3D tisku nespočívá jen v technologické zajímavosti. Slibuje řešení tří zásadních problémů současného stavebnictví: rychlosti, ceny a architektonických limitů.

1. Rychlost: Robotická tiskárna dokáže hrubou stavbu menšího rodinného domu vytisknout za jednotky dnů. Například první český tištěný dům, známý jako „Prvok“, měl hrubou stavbu hotovou za pouhých 48 hodin čistého času tisku. Maximální rychlost tisku portálové tiskárny použité v Hausleitenu je jeden metr za sekundu, což výrazně zkrátilo dobu výstavby. Hrubá stavba budovy v Hausletinu tak byla dokončená za pouhých 45 hodin! Toto radikální zkrácení doby výstavby snižuje náklady na práci a umožňuje mnohem rychleji reagovat na poptávku po bydlení.
2. Snížení nákladů a odpadu: Robot pracuje téměř nepřetržitě a nahradí velkou část manuální práce. Ještě významnější je snížení materiálového odpadu. Tiskárna nanáší materiál pouze tam, kde je skutečně potřeba, na rozdíl od tradičních metod, kde odřezky a zbytky materiálu tvoří značnou část odpadu. Optimalizovaný design může snížit spotřebu betonu až o 60 %.
3. Architektonická svoboda: Pro 3D tiskárnu je křivka stejně jednoduchá jako přímka. Architekti tak získávají bezprecedentní svobodu navrhovat plynulé, organické a bionické tvary inspirované přírodou, které jsou nejen krásné, ale mohou být i funkčnější a staticky efektivnější. Dům už nemusí být jen krabice. 3D tisk cementových kompozitů otevírá možnost optimalizace tvaru prvku z hlediska minimalizace spotřeby materiálu při dosažení maximální pevnosti nebo tuhosti prvku.

Inovativní materiály pro 3D tisk

Tradiční vyztužený beton se jako ekonomická stavební metoda používá již desítky let. S rostoucím zájmem o digitální nástroje a procesy roste i zájem o využití 3D tisku betonu (3DCP). Mnoho podniků a institucí vidí ve využití aditivní výroby nebo 3D tisku ve stavebnictví potenciál. Možnosti 3D tisku betonu jsou neomezené.

Čtěte také: kvalitní stavební materiály z betonárny ve Vyškově

Polymerní beton s recyklovanými termoplasty

Vědci z Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně ve spolupráci s firmou VIA ALTA vyvinuli speciální tiskovou hlavu, která si poradí se směsí polymerního betonu, do kterého kromě plniva přidávají termoplasty, které by jinak skončily na skládce či ve spalovně. „Naše směsi tvoří recyklované termoplasty a plnivo, nejčastěji písek nebo drcené odpadní sklo. Používáme směsi s velkou frakcí, jsou v nich až 4 milimetry velká zrnka. Tiskovou hlavu lze umístit jak na 3D tiskárnu, tak i na robota, kterého se rozhodli využít právě brněnští výzkumníci. Robot umožňuje naklonění tiskové hlavy, čímž je dosaženo lepšího spojení vrstev. Výhodou polymerního betonu je to, že lze při jeho výrobě využít odpadní termoplasty. My používáme polypropylen. Jde o odpad především z automobilového průmyslu. Je to čistá, kvalitní, i když odpadní surovina. Polymerní beton má oproti klasické betonové směsi na bázi cementu i další výhody. Poměrně rychle ztuhne a jeho mechanické vlastnosti předčí běžný beton,” uvedl Škaroupka. Výsledný produkt je voděodolný a houževnatý, výzkumníkům se proto zdá vhodný třeba na venkovní mobiliář.

Sikacrete® 3D: Kompletní řešení pro tisk betonu

Společnost Sika nabízí komplexní řešení Sikacrete® 3D pro rychlý, přesný a levný tisk betonu podle potřeb vašeho projektu. Díky globálnímu působení ve více než 100 zemích a více než 100leté historii v oblasti technologie cementu a příměsí vás společnost Sika může podpořit po celém světě při zahájení nebo zdokonalení vašeho podnikání v oblasti 3D tisku betonu. Společnost Sika aktivně hledá partnery pro vývoj materiálů, které fungují s různými typy zařízení pro 3D tisk betonu. Oceněný systém 2K společnosti Sika je portálové zařízení a zrychlený tisk materiálů dohromady v jedinečném řešení na klíč plně vyvinutém společností Sika. Portálový systém byl vyvinut společností Sika a je vyráběn v licenci jedním z našich partnerů. Sikacrete®-7100 3D se skládá z cementového prášku s vlákny a tekutého polymeru, který se v míchací lince kombinuje s vodou. Pro zlepšení vzhledu lze přidat další barvy. Společnost Sika poskytuje cementové materiály pro tisk objektů pomocí vašeho zařízení.

Vlastní jemnozrnný materiál s cementovým pojivem

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. Vývojem směsi jsou získány důležité poznatky využitelné zejména pro návrh směsi z lokálních surovin v místě plánovaného tisku. Parametry aktuálně používané směsi jsou pevnost v tlaku na úrovni 40-50 MPa. Pro laboratorní tisk je používána pytlovaná směs s maximálním zrnem kameniva do 1 mm. Významným prvkem směsi je cement a další jemné podíly zajišťující optimální zrnitost. Tixotropie směsi je zajišťována WMA přísadami, smrštění eliminováno dávkováním PP vláken do směsi a konzistence řízena kombinací množství plastifikátoru a urychlovače tuhnutí dávkovaného v závěru tiskového procesu. Laboratorně se jedná o jemnozrnnou cementovou maltu. Pro další vývoj byly zahájeny práce na vývoji směsi betonu obsahující kamenivo zrnitosti od 4 mm, vhodné na tisk zejména in-situ.

Projekt 3D-STAR: Vývoj zařízení a testování konstrukcí

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. 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. 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.

Testování a optimalizace

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. Při tisku tímto laboratorním strojem lze běžně dosáhnout rychlosti kolem 120 mm/s. Nicméně rychlost je omezená spíše velikostí tisknutého prvku a ovlivněna potřebným časem na vytištění jedné vrstvy. Při přílišné rychlosti může docházet ke ztrátě stability tištěného prvku, při pomalejším tisku zase k náchylnosti na nedokonalé spojení aktuálně tištěné vrstvy s původní a k riziku její následné delaminace při namáhání prvku.

Čtěte také: Cement: Podrobný průvodce

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 a bylo testováno několik typů tvarování samotného vtoku urychlovače. K urychlení tuhnutí směsi, dochází aktuálně v rámci 3 až 5 minut po extruzi což umožňuje rychlý tisk. 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.

Tvorba a optimalizace výpočtových modelů

Součástí projektu jsou práce na tvorbě a optimalizaci výpočtového modelu tak, aby bylo možno konfrontovat výsledky testu v laboratoři s výsledky výpočtu a ve finále kontrolovat únosnost prvků pouze dostatečně spolehlivým statickým výpočtem. Obecně ze zkoušek vychází pro výrobu 3D tiskem tvarovat tištěné prvky do prohnutých tvarů a co nejvíce omezit ostré rohy. Pro řízení Testbedu byl připraven skript v grafickém programovacím prostředí Grasshopper pro Rhinoceros3D. Postupně byly přidávány další možnosti parametrizace některých nastavení. Tento slicer také umožnuje 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 tištěných konstrukcí

V úvodní fázi projektu byly zkoušeny vzorky připravované řezáním z vytištěných prvků tak, by byly ověřeny vlastnosti směsi po tisku a zpětně mohla být směs optimalizována. V další fázi se již tisk věnoval návrhu a tisku tenkostěnných prvků a zatěžovacím zkouškám takto vytištěných struktur. Příkladem tištěného tenkostěnného stěnového prvku je například segment stěny, který má tloušťku stěny (šířku tiskové stopy) 20 mm. Tištěné objekty dosahují výšky 80-90 cm, což je aktuálně limit pro laboratorní tiskové zařízení. Rychlost tisku a parametry směsi jsou ale nastaveny tak, aby mohl tisk kontinuálně probíhat nejen do 80 cm, ale i výše. Vizí projektu je tisk nejen vertikálních konstrukcí, ale komplexního tisku celého systému, tedy i tisku horizontální konstrukce.

Využití technologie 3D tisku pro vodorovné konstrukce má svá omezení, plynoucí jednak z nemožnosti „tisku do vzduchu“ a dále z nutnosti vyztužování ohýbaných prvků v tažených oblastech. Z toho plyne, že 3D tisk vodorovných nosných prvků bude pravděpodobně omezen na prefabrikáty, tištěné na tuhé podložce. Pro vyztužování ohýbaného tištěného prvku jsou ve světě vyvíjeny jednak systémy, kdy je ohebná výztuž ukládána průběžně při tisku přímo upravenou tiskovou hlavou a dále systémy, kdy je tisková hmota vyztužena pouze rozptýlenou výztuží vlákny různých typů a vlastností. Obě tyto možnosti jsou hlouběji zkoumány. Příkladem je příhradový nosník stropu, vytištěný tiskovou stopou šířky 40 mm. Nosník je vyztužený betonářskou výztuží profilu 6 mm, vloženou mezi tiskové vrstvy ručně v průběhu tisku. První testy vazníku zatěžovaného čtyřbodovým ohybem ukazují velmi dobré chování prvku, u kterého se neprojevily žádné známky delaminace tiskových vrstev a způsob porušení, kdy došlo k přetržení výztuže dolního pasu, byl v dobré shodě s předpokladem statického výpočtu.

Výzvy na cestě k masovému využití

Navzdory obrovskému nadšení je třeba zůstat realistou. Cesta 3D tisku ze stránek odborných časopisů na běžná staveniště je stále plná výzev:

• Materiály: Vývoj speciálních betonových směsí, které jsou dostatečně tekuté pro tisk, ale zároveň dostatečně rychle tuhnou, je klíčový. Zatím hlavním problémem je cena, která v současnosti převyšuje náklady na konvenční beton. Experti proto pracují na zlevnění výroby.
• Legislativa: Stavební předpisy a normy zatím s takto inovativními postupy nepočítají. Zároveň musí hmota projít přísnými certifikačními testy podle stavebních norem ASTM. Certifikace nových materiálů a procesů je zdlouhavá.
• Integrace řemesel: Je třeba vyřešit, jak efektivně integrovat výztuže, izolace a technické rozvody do tištěných struktur.
• Počáteční náklady: Cena samotných tiskáren je stále velmi vysoká a dostupná jen pro několik málo specializovaných firem.

Tato novinka kombinuje výhody 3D tisku, recyklovatelných biomateriálů a chemie polymerů, tedy tří oblastí, jejichž sbližování je patrné už několik let. Zatímco dříve se řešila hlavně estetika tištěných staveb, současný výzkum míří k plně funkčním, rychle postavitelným a nízkoemisním budovám.

tags: #cement #pro #3d #tiskarnu #informace

Oblíbené příspěvky:

• Přečtěte si o akrylových trubkách
• Cihly pro Ústí nad Orlicí
• Moderní řešení sedlových střech
• Dubový stůl Domažlice: Recenze a zkušenosti
• Zkušenosti s cihlami Porotherm T Profi a Dryfix