3D tisk betonu otevírá novou kapitolu v oblasti stavebnictví a designu. Tato inovativní technologie umožňuje vytvářet objekty a struktury s vysokou přesností a výtvarnou svobodou, které byly dříve obtížně dosažitelné tradičními metodami. Aditivní výroba, kde se materiál nanáší vrstva po vrstvě, umožňuje realizaci jakéhokoliv návrhu digitálně navrženého v počítači.
Jak funguje 3D tisk ve stavebnictví?
Ve stavebnictví se používá technologie extruze cementové směsi (něco jako betonová FDM tiskárna). Velký robotický portál nebo rameno vytlačuje speciální betonovou směs vrstvu po vrstvě. Komponenta je navržena v programu CAD a informace se poté odešlou do tiskárny. Poté se objekt vytiskne v jednotlivých vrstvách. Na rozdíl od tradičních metod již nejsou zapotřebí složité formy a změny forem. Odpadá mnoho pracovních kroků. Možné jsou složité geometrie a hromadná výroba.
Co se vlastně tiskne?
- Nosné i nenosné stěny
- Formy pro následné odlití
- Moduly pro prefabrikaci
- Architektonické detaily, které se klasicky vyrábějí obtížně
- Mostní konstrukce (z betonu nebo kompozitů)
Co se netiskne?
- Stropy
- Krovové konstrukce
- Instalace
- Základy
3D tisk řeší obvodové a vnitřní stěny, zbytek je klasická stavební práce.
Výhody 3D tisku ve stavebnictví
Rychlost výstavby
Stěny běžného jednopodlažního domu lze vytisknout za 24-48 hodin čistého času. Celá stavba pak proběhne rychleji díky omezení mokrých procesů.
Nižší náklady na práci
Tisk probíhá automatizovaně - potřeba pracovní síly je výrazně nižší. U menších projektů to může znamenat úsporu až 30-40 %.
Čtěte také: Použití bílého cementu v praxi
Úspornější spotřeba materiálu
Směs se ukládá přesně tam, kde je potřeba. Nevzniká prakticky žádný odpad. Je zajímavé, že lze použít také recyklované produkty.
Volnost tvarů
Křivky, organické tvary, výstupky, dutiny… To vše jde udělat mnohem snadněji než klasickou výstavbou. Architekti díky tomu navrhují tvary, které dříve nebyly ekonomicky reálné.
Menší uhlíková stopa
Dnes existují směsi s recyklovanými příměsemi, geopolymerními složkami a nižší spotřebou cementu. To znamená ekologičtější výstavbu.
Nevýhody a limity 3D tisku domů
Ne všechny části konstrukce lze tisknout
Stropy, schodiště, elektroinstalace a většina detailů se stále dělá ručně nebo prefabrikací. Lze zatím vytvářet pouze svislé konstrukční prvky nebo nosné prvky zatížené v tlaku. 3D tisk vodorovných nosných prvků bude pravděpodobně omezen na prefabrikáty, tištěné na tuhé podložce.
Potřeba speciálních směsí
Nelze použít klasický beton B20-C25. Používají se mixy s rychlým tuhnutím, stabilizátory a nízkým smrštěním. To zvyšuje cenu materiálu. Složení směsi by mělo být dobře tvarovatelné, aby mohlo být protlačeno otvorem trysky. Složení se má rychle vytvrdit, aby se konstrukce nezlomila, když se na val nanese nová vrstva.
Čtěte také: Bílý cement: Přehled
Statické a normové limity
ČR (a EU obecně) zatím nemá jednotnou normu, která pokrývá 3D tištěné konstrukce. V praxi se používá kombinace klasických betonářských předpisů a individuálních posudků.
Vyšší investice do stroje
Velkoformátová 3D tiskárna stojí v řádech milionů Kč. Pro běžné firmy nedává smysl její samostatné pořízení.
Vliv oxidu grafenu na 3D tisk betonu
Oxid grafenu má potenciál učinit beton vytištěný technologií 3D tisku životaschopnějším, což může mít pozitivní dopad na náklady a udržitelnost. Zjistila to studie provedená vědci z RMIT University a University of Melbourne. Výsledky ukázaly, že přidáním oxidu grafenu - nanomateriálu hojně využívaného v elektronice - do cementu lze zvýšit pevnost a tisknutelnost 3D tištěného betonu a dodat mu elektrickou vodivost. To by mohlo umožnit stavbu „chytrých“ zdí, které dokážou detekovat a monitorovat malé trhliny v budovách.
Zvýšení pevnosti a detekce trhlin
Studie publikovaná v odborném časopise Additive Manufacturing Letters je první, která zkoumala vliv oxidu grafenu na tisknutelnost a pevnost 3D tištěného betonu. Zjistila, že přidání oxidu grafenu, což je forma grafenu s atomy kyslíku navázanými na jeho povrch, zvýšilo pevnost betonu až o 10 %. Přidáním oxidu grafenu do betonu lze v betonové struktuře vytvořit elektrický obvod, který by mohl pomoci odhalit strukturální problémy, změny teploty a další faktory prostředí. Současné metody detekce trhlin v betonových konstrukcích, jako jsou ultrazvukové nebo akustické senzory, jsou nedestruktivní a široce používané. Přesto však mají omezení při detekci velmi malých trhlin v počátečních fázích.
Optimalizace vazeb a udržitelnost
Přidání oxidu grafenu do betonu usnadnilo jeho vytlačování a vytvořilo lepší mezivrstevní vazby, což by mělo pomoci zvýšit pevnost. Oxid grafenu má na svém povrchu funkční skupiny, jako lepivá místa, která se mohou zachytit na jiných objektech. Tato lepivá místa jsou tvořena hlavně různými funkčními skupinami kyslíku, které mají zásadní význam pro usnadnění pevnějších vazeb s dalšími materiály, jako je cement. Právě tato silná vazba by mohla zlepšit celkovou pevnost betonu. Oxid grafenu má potenciál učinit 3D tištěný beton použitelnějším ve stavebnictví, což by mohlo mít pozitivní dopad na náklady a udržitelnost. Tradiční betonové konstrukce se vyrábějí pomocí bednění, kde se vytvoří forma a do ní se následně nalije čerstvý beton. Tento proces vyžaduje spoustu práce, času a peněz a často při něm vzniká značné množství odpadu.
Čtěte také: Portlandský cement – co to je?
Tabulka: Vliv dávkování oxidu grafenu na pevnost betonu
| Dávkování oxidu grafenu (hmotnost cementu) | Zvýšení pevnosti betonu |
|---|---|
| 0,015 % | Až o 10 % (silnější než vyšší dávka) |
| 0,03 % | Méně efektivní než nižší dávka |
Pro další výzkum je nezbytné optimalizovat dávkování oxidu grafenu a zkoumat jeho vliv na další vlastnosti 3D tištěného betonu, jako je trvanlivost a elektrická vodivost.
3D tiskové řešení Sikacrete® 3D
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. Na trhu je řada typů míchadel, čerpadel a robotů. Aby bylo dosaženo úspěšného tisku, musí zařízení a materiál spolupracovat. Všechny tyto faktory hrají významnou roli při dosahování optimálních výsledků finálního betonu.
Klíčové otázky pro optimální řešení
- Jaký typ zařízení používáte?
- Jaký typ objektů tisknete?
- S jakou šířkou stěn, výškou, rychlostí tisku a teplotou okolí pracujete?
- Jaké jsou vaše požadavky na otevřenou dobu, dobu tuhnutí, pevnost a výkon?
Společnost Sika má výrobní závody po celém světě. Pokud je to možné, rádi by vyráběli lokálně, aby snížili náklady na dopravu a čas.
Projekt 3D-STAR: Vývoj zařízení a materiálů
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.
Výhody a optimalizace
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. 3D tisk cementových kompozitů otevírá možnost optimalizace tvaru prvku z hlediska minimalizace spotřeby materiálu při dosažení maximální pevnosti nebo tuhosti prvku. Taková optimalizace je dnes běžná např. ve strojírenském průmyslu. 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 vývoj na Technické univerzitě v Liberci
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. Velikost zařízení byla uzpůsobena prostorám Kloknerova ústavu, kde je zařízení provozováno. 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.
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.
Vývoj vlastních směsí pro 3D tisk
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. 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. Zkoušením různých variant urychlovačů byl zvolen jako nejvhodnější roztok síranu hlinitého v různých poměrech s vodou, podle teplotních podmínek v místě tisku a v závislosti na požadované konzistenci směsi. 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 směsi se prozatím ukázala jako nejvhodnější z hlediska možnosti okamžité kontroly tisku a optimalizace procesu obsluhou.
Příprava dat pro tisk a optimalizace tvarů
Samotnou a nedílnou disciplínou 3D tisku je příprava dat pro tisk. Od tvarování samotných tiskových objektů až po volbu vhodné tiskové strategie a parametrů. Tvarování objektů bylo ze začátku podřizovalo především nutnosti zkalibrovat tiskové nastavení a vytisknout vzorky pro stanovení základních mechanických vlastností vytištěného materiálu. V momentě zvládnutí jednoduchých tiskových úloh se těžiště experimentů přesunulo k tvarování objektů za účelem odzkoušení hranic tiskového systému a také k hledání optimálního tvaru pro 3D tisk konstrukcí. Obecně ze zkoušek vychází pro výrobu 3D tiskem tvarovat tištěné prvky do prohnutých tvarů a co nejvíce omezit ostré rohy. S dobrými výsledky proběhly například experimenty s křížením tiskové dráhy v jedné vrstvě.
Pro první pokusy řízení Testbedu byl použit ručně psaný G-kód - v zásadě pro tisk jednoduchých tvarů jako čtverce a kruhy. Pro další pokusy a možnost jednoduššího zadávání složitějších tvarů a průniků tiskových drah 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.
Testování vytištěných konstrukcí
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 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.
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. 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 a vyztužený betonářskou výztuží profilu 6 mm. Nosník je navržen tak, aby vyhověl pro bytovou stavbu na rozpětí 6,0 m.
Vytištěné prvky jsou podrobovány zatěžovacím zkouškám jak v tlaku (svislé konstrukce) tak v ohybu (vodorovné konstrukce). 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.
tags: #cement #pro #3d #tiskarnu #informace