PergolyTechnologie odlévání betonových dílců: Inovace a praxe
Odlévání betonových dílců je klíčovou součástí moderního stavebnictví. S rozvojem technologií se objevují nové metody a materiály, které posouvají hranice možností v této oblasti. V tomto článku se podrobněji podíváme na inovativní přístupy, jako je 3D tisk cementových kompozitů a využití ultra vysokohodnotného betonu (UHPC), a také na tradiční, avšak neustále optimalizované metody výroby forem a sériové produkce.
3D tisk ve stavebnictví a architektuře
3D tisk cementových kompozitů je jednou z nových technologií ve stavebnictví, které se v současné době vyvíjejí na mnoha pracovištích po celém světě. Je to reakce na řadu aktuálních požadavků, jakými jsou digitalizace a automatizace stavebnictví i trvalá udržitelnost výstavby. Beton je v současné době v celém světě jednoznačně nejpoužívanějším stavebním materiálem, který má řadu nenahraditelných vlastností. Jeho nevýhodou je velká spotřeba neobnovitelných přírodních zdrojů, především vápence a kameniva do betonu, které začínají být nedostatkové. Železobetonové konstrukce jsou problematicky recyklovatelné. Jednou z hlavních cest, jak tyto negativní dopady používání betonu omezit, je snížení množství spotřebovaného betonu optimalizací tvarů konstrukcí.
Vývoj 3D tiskového zařízení a směsí
Technická univerzita v Liberci, Kloknerův ústav ČVUT a společnost Červenka Consulting v rámci grantového projektu „3D STAR - 3D tisk ve stavebnictví a architektuře“ vyvinuli 3D tiskové zařízení a tiskovou směs, aby studovali problémy využití 3D tisku cementových kompozitů u vícepodlažních staveb. Technologie 3D tisku pracuje s jemnozrnným betonem, či spíše se sofistikovaně navrženou cementovou maltou s frakcí kameniva obvykle od 1 do 4 mm.
V porovnání s klasickou technologií odlévání betonu do bednění odpadá při 3D tisku pracovní proces bednění konstrukce, což by mělo výstavbu urychlit a zlevnit. Aditivní technologie výroby umožňuje umísťovat materiál pouze do míst, kde je opravdu potřeba realizovat tvary, jež jsou klasickými technologiemi nerealizovatelné. Z obrázku je na první pohled zřejmé, že charakter konstrukce se liší od konvenční železobetonové konstrukce. Masivní plnostěnné prvky jsou nahrazeny tenkostěnnými strukturami se složitějším statickým působením. Stejně tak tiskový materiál se liší od běžného betonu. Materiál pro 3D tisk má velkou pevnost - běžně kolem 50 MPa, jde však o materiál anizotropní a bohužel i velice křehký. Velmi malá frakce kameniva a vysoký obsah jemných částic a přísad způsobují výrazně větší smrštění, než na jaké jsme zvyklí u běžného betonu. Samostatným problémem je vyztužování tažených částí tištěných prvků. To vše vede k větší náročnosti při navrhování konstrukcí v porovnání s konvenčními betonovými stavbami, pro které jsou k dispozici návrhové předpisy a normy, jež nelze pro tištěné konstrukce v plném rozsahu použít.
Optimalizace tiskové směsi
Výzvou projektu 3D STAR byl kompletní vývoj a celková optimalizace směsi s cementovým pojivem, která by byla vhodná pro potřeby 3D tisku. Potřeba vývoje vlastní směsi byla dána jednak v té době nedostatkem komerčních směsí a také z hlediska možnosti následné optimalizace vyvíjené směsi v libovolné fázi projektu a pro libovolný druh aplikace. Hlavním požadavkem na směs byla její čerpatelnost čerpadlem, vhodná konzistence na extruzi a fyzikálně mechanické vlastnosti, jako jsou pevnost v tlaku, pevnost v tahu za ohybu či rychlost nárůstu těchto parametrů. Dalším nárokem bylo sestavení směsi z dostupných surovin běžných pro beton či malty, tak aby došlo k co možná nejvíc ekonomickému návrhu směsi. Z hlediska konzistence, tixotropie směsi a omezení smrštění byla směs doplněna rozptýlenou výztuží ve formě PP vláken. Hlavním důvodem pro aplikace PP vláken bylo zamezení vzniku trhlin od smrštění směsi v raném stadiu. Dále byly prováděny testy se směsí s přídavkem PVA vláken, které v jisté míře zamezují křehkému lomu materiálu - cílem fabrikace je automatizované vyztužování tenkostěnných prvků a rozptýlená výztuž (například ocelovými vlákny) je jednou z možností, jak tištěnou strukturu vyztužovat.
Čtěte také: Výběr bednicích desek
Detailní výzkum byl prováděn zejména v oblasti urychlení tuhnutí směsi pomocí tekutých urychlovačů tuhnutí. Celý navržený systém 3D tisku pracuje se směsí, která je namíchána, transportována a čerpána v mokrém stavu až do tiskové hlavy, kde je v poslední fázi extruze přidáván tekutý urychlovač. Jeho množství je upravováno podle rychlosti tisku, množství extrudovaného materiálu a náročnosti z hlediska tvaru tištěného prvku. Systém umožňuje prakticky libovolné tiskové prostředí (délku hadic nutných k čerpání směsi, umístění míchacího zařízení versus tiskové zařízení a okrajové parametry, jako jsou teplota, vlhkost nebo oslunění). Směs je v tekutém či plastickém stavu transportována celým systémem bez rizika zatuhnutí směsi v systému při případném výpadku či technologické pauze. K urychlení dochází až v úplném závěru tiskového procesu a reakční doba se pohybuje v řádu minut. Parametry výsledné směsi byly zkoušeny před čerpáním směsi a po přečerpání směsi s urychlovačem tuhnutí.
Důležitými vstupy pro optimalizaci směsi byla teplota směsi v čase po míchání, před a po čerpání, konzistence směsi a její změna v čase. Tento parametr je důležitý z hlediska návrhu systému pro tisk na staveništi či proměnných okrajových podmínkách prostředí. Případný rozdíl mezi laboratorně vyráběnými tělesy (ukládáním směsi do forem) a zkoušením parametrů kompozitu po vyřezání/vyvrtání z vytištěného objektu byl průběžně ověřován a směs byla na základě průběžných výsledků optimalizována. Snahou bylo dosažení co možná největší shody a homogenity tištěné směsi ve srovnání se směsí ukládanou do forem. V rámci experimentálního programu byla provedena celá řada různých typů zkoušek materiálových vlastností tiskové směsi v různých stadiích vývoje, mechanických parametrů vytištěných vzorků a například i soudržnosti této směsi s různými druhy vkládané žebírkové výztuže.
Obecné parametry směsi v různém stáří a na různých typech těles popisuje následující tabulka:
| Vlastnost | Stáří (dny) | Hodnota |
|---|---|---|
| Pevnost v tlaku | 28 | ~50 MPa |
| Smrštění | Rané stadium | Výrazně větší než u běžného betonu |
| Čerpatelnost | Čerstvá směs | Vhodná |
| Konzistence na extruzi | Čerstvá směs | Vhodná |
| Pevnost v tahu za ohybu | 28 | Optimalizovaná |
Nejvíce charakterizující jsou materiálové vlastnosti směsi ve 28 dnech stáří.
Vývoj tiskového zařízení
Pro 3D tisk ve stavebnictví se nejčastěji používají zařízení portálového typu nebo angulární roboty. V rámci projektu 3D STAR bylo vyvinuto portálové tiskové zařízení TestBed s vlastním řízením s tiskovým prostorem o půdorysu zhruba 3 x 1 m s výškou tisku do 1 m. Je využíváno pro ověřování tisku a tiskových směsí v Kloknerově ústavu. Pro možný postupný tisk přímo na staveništi bylo vyvinuto robotické rameno Printing Mantis typu rozšířené SCARA struktury. Nyní je pro laboratorní testy postaveno rameno v polovičním měřítku s dosahem ramene 2,8 m, zdvih 2,5 m. V rámci dalšího vývoje bude robot doplněn míchacím a čerpacím zařízením a tiskovou hlavou.
Čtěte také: Průvodce výběrem silikonových forem
V rámci projektu byly provedeny návrhy stěnových a stropních prvků pro čtyřpodlažní bytový dům se světlým rozpětím místností 5,30 m. Hlavní stěnové i stropní prvky byly ověřovány statickým výpočtem a následně po vytištění testovány zatěžováním do porušení v laboratoři Kloknerova ústavu ČVUT. Pro sledování rozdílů mezi digitální předlohou (počítačovým modelem) tištěného prvku a skutečně vytištěným tvarem byla na FS TUL vyvinuta metoda 3D skenování vytištěného prvku, která po naskenování prvku ihned po vytištění umožní oba obrazy porovnat. Metodu je možné následně použít i pro sledování rozměrových a objemových změn v důsledku smršťování cementového kompozitu v průběhu jeho tuhnutí a tvrdnutí.
Budoucnost 3D tisku betonu
Aby bylo možno uplatnit technologii v praxi, bude nutno ještě vykonat hodně práce v několika oblastech. V oblasti technologie tiskové směsi by bylo žádoucí především zvětšit tahovou pevnost a duktilitu materiálu a omezit objemové změny od smrštění. Byl zahájen výzkum v oblasti recyklovaných materiálů, keramiky a geopolymerů pro 3D tisk. V oblasti tiskového zařízení bude nutno postoupit v jeho vývoji tak, aby bylo možno tisknout dostatečně rozsáhlé konstrukce v proměnlivých podmínkách stavby. Je v plánu realizace robotického ramene v měřítku 1 : 1 o dosahu 5,6 m ve spolupráci s průmyslovým partnerem. Bude nutno dokončit vývoj softwaru pro modelování tištěných konstrukcí, aby statické výpočty dostatečně věrně odpovídaly realitě a bylo dosaženo shody výpočtu s experimentem.
Tradiční a moderní technologie odlévání betonových dílců
Kromě 3D tisku hraje v odlévání betonových dílců stále důležitou roli i klasická technologie, která se neustále zdokonaluje. Společnost PREMIX servis s.r.o. je český výrobce speciálních druhů suchých malt a jediným výrobcem suché směsi vysokohodnotného betonu v ČR. Výroba speciálních druhů suchých malt a produktů stavební chemie má na tuzemském trhu více než dvacetiletou historii. Společnost vyrábí sanační omítkové systémy na vlhké zdivo, ucelenou řadu hmot pro profesionální sanace betonových konstrukcí, vápenné omítky a malty pro obnovu památkových objektů a tradičních fasád, hmoty pro spárování kamene, hydroizolační stěrky a další produkty. Výrobky jsou určeny pro široký okruh technologií v oblasti rekonstrukcí staveb. Od roku 2020 je společnost jediným výrobcem a dodavatelem suché směsi vysokohodnotného betonu v České republice.
Valucem: Ultra vysokohodnotný beton (UHPC)
Valucem je obchodní název unikátního vysokohodnotného betonu označovaného jako UHPC tj. Ultra High Performance Concrete. Jde o vysokopevnostní kompozit na bázi cementu výhradně dodávaného v suché směsi. Vlastnosti materiálu umožňují realizaci unikátních prvků a konstrukcí. Společnost PREMIX servis s.r.o., jako výrobce a dodavatel tohoto vysokopevnostního vláknocementového kompozitu, má s realizacemi a využitím Valucemu bohaté zkušenosti. Pod obchodní značkou Valucem je suchá směs dodávána v šedé i bílé variantě odběratelům, kteří jej využívají pro různé aplikace, např. pro výrobu mostních prefabrikovaných dílců, tvarové odlévání a 3D tisk.
Výroba forem pro betonové odlitky
Pro výrobu formy je potřeba pozitivní model. Modely bývají někdy složité, a tak je potřeba využít moderní technologie, jako je 3D tisk nebo obrábění na 5-ti osém CNC. K tomu je třeba digitální model ve formátu *.3ds nebo *.stl. Dokážeme Vám dle výkresů zpracovat tento digitální otisk a vyrobit model. Stačí poslat plán nebo nám jen říct představu výrobku. Dle těchto vstupních parametrů již víme kolik za výrobu formy zaplatíte. Pomůžeme Vám optimalizovat cenu formy dle předpokládaného počtu odlitků.
Čtěte také: Odlévání betonu: Průvodce pro tvůrce
Příprava modelu je první důležitý krok do startu úspěšného projektu. U nás si poradíme s návrhem v 3D programech (*.3ds, *.stl, *.skp, a mnohé další). Umíme dle poslaných dat vytvořit na 5-ti osé CNC fréze model z nejrůznějších materiálů jako je dřevo, hliník, PVC, PP, Silikon, a dalších. Důležitá je kvalita povrchu modelu a vhodně zvolený materiál pro výrobu formy. Optimální poměr ceny a obrátkovosti formy je základ úspěšného podnikání.
Za formování již připraveného modelu vyrobeného u nás nebo dodaného externě není žádný problém. Vždy volíte takové technologie formování, aby model vydržel, pokud je to možné. Snažíme se formu vytvořit z tolika částí, aby na odlitku nebyly patrné dělící spoje, aby také bylo vytažení kvalitního odlitku betonu z formy snadné. Nejčastěji používáme kombinaci materiálu jako jsou silikonové formy se sklolaminátovým tělem. Jde o optimalizaci ceny formy a tím i zlevnění betonových odlitků samotných. Pro výrobu odlévací matrice je nutné 3D model upravit specifickým způsobem tak, aby ji bylo možné níže uvedenými technikami vyrobit a také na ní následně odlít samotnou silikonovou formu. Složitost finálního produktu, pro který je forma určena, udává i náročnost samotného odlévání silikonu. Může se jednat o jednoduchou formu například na mýdlo nebo složitou formu složenou z několika dílů. Pro výrobu forem používám převážně dvousložkový kondenzační silikon. Použitý silikon nevyžaduje nutně vakuovou vývěvu, ale bublinky samovolně vystoupají na povrch. Po zatuhnutí silikonu je forma sejmuta z odlévací matrice, odstraněny přebytky silikonu a provedena kontrola kvality.
V případě větších problémů, jako jsou třeba bubliny na vnitřní straně formy, je nutné výrobu opakovat. Pro odlévání prvků s členitějším reliéfem, hlubšími protitvary nebo objemnějších stavebních dílců (zahradní doplňky, obklady s hlubšími a ostřejšími tvary, sochy, balustrády) a pro vícesériové výroby se pro jednodílné i vícedílné formy používá Lukopren N 8100 a N 8200, které mají vyšší pevnost a pružnost. Na značnou část těchto výrobků se jako pojivo používá bílý cement, který má vysokou alkalitu. To má negativní vliv na životnost forem - při opakovaném použití může po určité době docházet k nalepování materiálu na stěny formy. Na tato místa je vhodné nanést tenkou vrstvu Lukopren Parafínového Separátoru. Odformování se provádí postupným oddělováním odlitku od formy po obvodu směrem k jejímu středu. Vysoká objemová hmotnost betonu a nízká viskozita během vibrování vyžadují přesně spasovanou a pevnou formu. Pro menší odlitky používáme CNC obráběné, PU nebo silikonové formy.
Nabízíme profesionální návrh a výrobu forem pro betonové výrobky, přizpůsobený přesně vašim potřebám. Formy vyrábíme z vysoce kvalitních materiálů, jako je odolný plast na bázi PETg a kaučukový silikon vyvinutý speciálně pro styk s betonem. Plastové formy na výrobu obrubníků jsou dostupné v několika druzích, jež Vám umožní vyrobit obrubníky rovné či oblé na zpevnění jakékoliv dlážděné plochy. Formy jsou vyrobeny z odolného plastu tvarově stálého, který Vám umožní formu opakované použít. Zabýváme se prodejem plastových forem na výrobu dlažby, obkladu imitace kamene - umělý kámen a mnoho dalších forem na domácí - svépomocnou, ale i profesionální výrobu betonových výrobků různého druhu a zaměření. jsou Vám k dispozici v jednotlivých kategoriích a to jak na zámkovou dlažbu, tak na chodníkovou dlažbu.
Příklad využití UHPC a forem: Rekonstrukce sokolovny Volyně
V rámci postupné rekonstrukce sokolovny ve Volyni bylo instalováno osm replik původních soch sokolů, jež se nacházejí na štítových zdech vymezujících tělocvičnu. Sochy jsou identické, resp. liší se v natočení hlavy buď na levou, či pravou stranu. Geometrická stylizace soch se projevuje nejen v základních siluetách, ale i v řešení celého povrchu. Kvůli propustnosti původního betonu zkorodovala výztuž, jež svým rozpínáním roztrhala odlitky zejména v tenkých profilech křídel a ocasu. Výztuže v těchto místech byly vzhledem k nižší pevnosti betonu naddimenzovány tak, že dostatečné krytí nešlo zajistit ani při precizním umístění výztuže do formy. Po zvážení možných materiálů a technologií byl zejména vzhledem k vysokým požadavkům na pevnost, vyplývajícím z umístění na štítech budovy, zvolen ultra vysokohodnotný beton (UHPC) Valucem litý do tvrdé kompozitní formy.
Jako modely pro zaformování levého a pravého sokola byly použity nejzachovalejší původní odlitky, jež byly zpevněny a doplněny o chybějící části. Modelace jejich povrchu byla kompletně obnovena reverzibilními tmely na základě historických fotografií a dochovaných fragmentárních částí na místech chráněných před povětrnostními vlivy (např. pod ocasem). Pro potřeby formování byl povrch napuštěn roztokem akrylátové pryskyřice v organickém rozpouštědle a ve finále byl ještě ošetřen stříkaným dvousložkovým akrylátovým tmelem. Vzhledem k požadovanému počtu odlitků a komplikovanému postupu lití byla zvolena tvrdá kompozitní forma namísto silikonové formy se sádrovým kadlubem. Ta by musela být při realizaci každého odlitku zadusávána do písku, aby sádrový kadlub vydržel nápor hydrostatického tlaku sloupce betonu. Sloupec betonu dosahoval výšky 2 m, což ve spodní části formy představuje tlak přibližně 25 kPa. Předpokládané smrštění materiálu ovlivnilo tvar i počet dílů formy, kterých bylo nakonec zapotřebí 29. Díly byly navrhovány tak, aby nedocházelo k „uzamčení“ tvaru.
Aby byly odlitky kvalitní, bylo nutné během lití dosáhnout co nejlepšího odvzdušnění všech detailů. Toho bylo dosaženo polohováním formy v průběhu jejího plnění. Z toho důvodu byla kompozitní forma osazena v ocelové konstrukci umožňující plynulé otáčení. Laminování dílů z kompozitu epoxidové pryskyřice a skelného vlákna probíhalo postupně vždy tak, aby sousedící díly nebyly realizovány najednou. V závislosti na poloze dílu ve formě, hodnotě předpokládaného tlaku, kterému bude vystaven, a tvaru a velikosti dílu bylo kladeno 8 až 15 vrstev rovingové skelné tkaniny gramáže 490 g/m². Po dokončení všech dílů byly k některým přilaminovány ocelové chyty pro spojení kompozitní formy s ocelovou konstrukcí, která dodává formě potřebnou tuhost a umožňuje její polohování v otočném mechanismu, do něhož je vložena. Formovaný model měl přibližně stejnou váhu i těžiště jako budoucí odlitky, proto bylo možné si předem správně napolohovat výšku usazení formy v otočném mechanismu.
Do směsi UHPC Valucem byla přidávána PVA rozptýlená vlákna v množství 15 kg/m³. Směs s PVA rozptýlenou výztuží má oproti směsi s ocelovou rozptýlenou výztuží lepší zatékavost do detailů a vlákna se v řezu vizuálně neuplatňují. Směs byla míchána v míchačkách s nuceným oběhem. Forma byla plněna pomocí čerpadla. Počáteční poloha formy byla v náklonu 45º, přičemž konečná poloha byla svisle hlavou sokola dolů tak, aby spodní plocha podstavce byla vodorovně. Plnění formy probíhalo postupně od spodních partií křídel, ocasu a hlavy až po sokl. Během lití se forma postupně polohovala, aby došlo k co nejkvalitnějšímu odvzdušnění všech detailů. V závislosti na teplotě formy a teplotě čerpaného betonu se měnily i časy odformování. Díky lití většího počtu odlitků stejného tvaru šlo stanovit parametry pro co nejkvalitnější výsledek. Toho bylo dosaženo v případech, kdy měla hmota rozliv 305 mm s dobou lití 60 min. Při tomto časovém úseku se dařilo odlitek optimálně odvzdušnit ve všech polohách. Teplota formy byla 21,5 ºC, teplota čerpané hmoty 31,5 ºC. Doba tuhnutí od ukončení lití po začátek odformovávání byla 6 h. Bezprostředně po odformování byly odlitky baleny do mokré textilie o stejné teplotě jako byl povrch sochy, aby nedošlo k teplotnímu šoku. Odlitek i s textilií byl následně zabalen do nepropustné fólie pro udržení vlhkosti.
Materiál UHPC je hojně využíván pro realizaci betonových konstrukcí s vysokými nároky na pevnost a odolnost vůči vnějším vlivům. Při výrobě volyňských sokolů umožnila vysoká pevnost UHPC zredukovat množství a tloušťku ocelových výztužných prutů z původních čtyř prutů o průměru 12 mm (v řezu křídlem) na tři pruty o průměru 8 mm. Tím by se mělo v kombinaci s výrazně vyšší nepropustností materiálu předejít korozi výztuže. Vysoká odolnost vůči povětrnostním vlivům rovněž zaručuje dlouhou životnost povrchu se zachováním detailní modelace. Materiál UHPC Valucem se ukázal jako velice vhodný pro výrobu replik soch sokolů také díky své pevnosti a nepropustnosti. Důležitá byla i výborná zatékavost, která umožňuje lití do poměrně uzavřené formy i s již uloženou armaturou.
Sériová produkce odlitků
Analyzujeme potřeby partnerů a nových zákazníků. Navrhneme optimální počet forem k požadovanému času výroby odlitků z betonu. Každá forma vyrobí jeden odlitek za 24 hodin. Vhodnou volbou separátoru přizpůsobíme povrch surového betonu následné povrchové úpravě. Sériová produkce betonových odlitků je náročná kvůli době zrání odlitků samotných. U nás odlitky odpočívají v předem připravených „zracích“ regálech, kde se jim dostává té nejlepší péče. Pomalé vysychání betonového povrchu je velmi důležité pro jeho kvalitu. Sériová produkce odlitků se plánuje měsíce dopředu.
Péče o formu a uskladnění
Ve firmě Švec beton si moc dobře uvědomujeme, kolik úsilí, času a prostředků výroba forem na betonové odlitky stojí. K formám přistupujeme velmi obezřetně i po ukončení výroby. Je standardem, že zákazníci mají uskladněny formy u nás ve skladu i několik let. Když se k produkci opět vrátí, formy je čekají zakonzervované a připravené k použití. Používáme speciální nátěry pro uskladnění jednotlivých materiálů formy na betony. Po ukončení produkce tímto zvyšujeme životnost a prodlužujeme dobu, po kterou jde forma znovu použít. Při odlévání silikonů, polyuretanů, polyesterů a epoxidů doporučuji používat separátor pro delší životnost formy. Životnost forem závisí jednak na odlévaném materiálu, ale i tvaru formy (mechanická náročnosti při vyjímání výrobků z forem) a může se pohybovat ve stovkách použití. Po použití formu umyjte od materiálu odlitku a formu vysušte. Některé materiály jsou agresivní a mohou formu po delší době ve formě poškodit (např. beton).
Formy obalíme jednou vrstvou strečové fólie pro ochranu povrchu a dále používáme převážně použité obalové materiály jako krabice nebo výplňový materiál do nich.
tags: #odlevani #betonovych #dilcu #technologie
