Stavebnictví je odvětví postavené na staletími ověřených postupech. 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. 3D tisk už dávno není jen doménou plastových dílů a prototypů. V posledních letech se stále více prosazuje i ve stavebnictví. Vznikají domy, mosty, díly pro infrastrukturu a výstavba se čím dál častěji automatizuje pomocí velkoformátových 3D tiskáren.
Spolu s použitou aditivní technologií jsou stavební materiály pro 3D tisk klíčovým prvkem. Každá technologie 3D tisku dokáže pracovat s určitým typem materiálu v podobě filamentu, prášku nebo tekutiny. Stavební materiál spoludefinuje mechanické a chemické vlastnosti výtisků a tedy i praktické využití. Nabídka materiálů pro 3D tisk se neustále rozšiřuje s tím, jak se aditivní technologie využívají v průmyslové výrobě. Výběr správného materiálu je totiž stejně důležitý jako výběr správné technologie.
Princip 3D tisku budov a používané materiály
Princip 3D tisku budov je v jádru podobný klasickému stolnímu 3D tisku, jen v nesrovnatelně větším měřítku. 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.
Co se tiskne a co ne?
Tiskárna řeší obvodové a vnitřní stěny, zbytek je klasická stavební práce. 3D tiskem lze realizovat:
- 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:
Čtěte také: Vlastnosti modřínového stavebního dřeva
- Stropy
- Krovové konstrukce
- Instalace
- Základy
Betonové směsi pro stavební 3D tisk
Místo plastové struny se používá speciální, rychle tuhnoucí betonová směs. Nelze použít klasický beton B20-C25. Používají se mixy s rychlým tuhnutím, stabilizátory a nízkým smrštěním. To zvyšuje cenu materiálu. Materiály: Vývoj speciálních betonových směsí, které jsou dostatečně tekuté pro tisk, ale zároveň dostatečně rychle tuhnou, je klíčový. Směs má sice jiné složení, ale pevnostně odpovídá normovým betonům. Beton lze použít pro vytištění domů, které budou mít mnohem lepší vlastnosti než běžně stavěné domy.
Typy materiálů pro běžný 3D tisk a jejich uplatnění
Mezi základní materiály, které se pro 3D tisk používají, patří tzv. termoplasty, především PLA a ABS, ale také např. PET, PETG, PVA, TPE, HIPS, NYLON apod. K dispozici jsou i materiály, které napodobují strukturu dřeva nebo které ve tmě fosforeskují apod. Termoplasty se zpravidla prodávají v podobě „tiskových vláken“ (tzv. filamentů) stočených do cívek. Při tisku se filament zavede do tiskárny, rozehřeje se na teplotu cca 180-200 stupňů Celsia a následně se vrstvu po vrstvě nanáší na vyhřívanou podložku, která je součástí tiskárny.
Svět FDM filamentů je neuvěřitelně rozmanitý:
- PLA (Polylactic Acid / Kyselina polymléčná): Absolutní král hobby 3D tisku. Vyrábí se z obnovitelných zdrojů, jako je kukuřičný škrob, a je biologicky odbouratelný. Tiskne se velmi snadno, má minimální tendenci ke kroucení a nevyžaduje nutně vyhřívanou podložku. Je dostupný v obrovské škále barev a efektů. Ideální pro dekorace, vizuální prototypy a hračky. PLA je biologicky odbouratelný plast na bázi kukuřice, který při tavení produkuje vůni připomínající smažení rostlinného oleje. Díky všestranným materiálovým vlastnostem, ekologické šetrnosti a cenové dostupnosti je dobrou volbou pro mnoho projektů. Používá se ve 3D tisku tam, kde je potřeba pohledově dobře vypadajících modelů.
- PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol): Zlatá střední cesta a skvělý univerzální materiál. Je výrazně pevnější, pružnější a teplotně odolnější než PLA, ale tiskne se podstatně snáze než ABS. Je také odolný vůči vodě a chemikáliím a často je certifikován pro styk s potravinami. Perfektní pro funkční a mechanické díly, jako jsou držáky nebo kryty. Materiál PET je známý díky plastovým nápojovým lahvím. PET-G je nárazuvzdorný, flexibilní, chemicky odolný a bezpečný pro potraviny. Je skvělou volbou pro mechanické součásti vyžadující vyšší pevnost a odolnost. 3D tisk je s ním efektivní, ale technologicky složitější. Zaručuje však vizuálně skoro tak dobré výsledky, jako PLA.
- ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): Materiál, ze kterého jsou vyrobeny kostky LEGO. Je velmi pevný, houževnatý a odolává vyšším teplotám (až 100 °C). Jeho tisk je však náročný - vyžaduje vysoké teploty a uzavřenou tiskovou komoru, aby se zabránilo deformacím (warping) a praskání vlivem smršťování. ABS je termoplast na bázi oleje, který se běžně vyskytuje v potrubních systémech (DWV), automobilovém obložení, ochranných pokrývkách hlavy a hračkách (např. Lego). ABS je velmi snadno opracovatelný a odolný vůči mechanickému poškození. Vyznačuje se tuhostí, houževnatostí, odolností vůči kyselinám, olejům, tukům, uhlovodíkům a hydroxidům. Skvěle se hodí pro tisky dlouho vystavované povětrnostním vlivům.
- ASA (Acrylonitrile Styrene Acrylate): Vylepšená verze ABS. Má podobné mechanické vlastnosti, ale navíc vynikající odolnost vůči UV záření a povětrnostním vlivům. ASA je velmi kvalitní konstrukční termoplast. Jeho kladů je celá škála, např. mechanická odolnost či tuhost. Osvědčuje se ale také pro svou odolnost proti teplotě a celkové zachovávání svých fyzikálních vlastností. Nežloutne, což je skvělé pro tisky, v nichž se klade důraz na vzhled.
- TPU/TPE (Thermoplastic Polyurethane/Elastomer): Pružné, gumě podobné materiály. Používají se pro tisk ohebných dílů, jako jsou pouzdra na telefony, těsnění nebo tlumicí podložky. Semi-flex TPU je gumový plast s působivou pevností a pružností. Hodí se pro každý projekt vyžadující flexibilní materiál, který lze ohýbat, kroutit a protahovat. Využívá se ve zdravotnictví, pro výrobu nářadí i ochranných pouzder na telefony a tablety.
- Nylon (Polyamid, PA): Jeden z nejhouževnatějších a nejodolnějších materiálů pro FDM tisk. Vyniká odolností proti otěru, chemikáliím a vysokým teplotám. Používá se pro tisk ozubených kol, ložisek a dalších vysoce namáhaných mechanických dílů. Nylon je všestranný materiál, silný a odolný. Rychle absorbuje vodu ze vzduchu, což je nutné zohledňovat. Vyznačuje se vysokou tepelnou i chemickou odolností. Používá se k tisku robustních a těžkých vzorků.
- PC (Polycarbonate): Extrémně pevný a nárazuvzdorný materiál s vysokou teplotní odolností. Je to jeden z nejodolnějších termoplastů dostupných pro stolní tiskárny. Polykarbonát je materiál termoplastický a vysoce rezistentní. Díky vysoké odolnosti se hodí pro extra namáhané výtisky.
- Polypropylen: Relativní novinka v oblasti 3D tisku, i když nejpoužívanější materiál v obalovém a potravinářském průmyslu. Má dobrou teplotní stálost, je velmi houževnatý a pevný. Skvěle se hodí pro tisk velkých objektů. Polypropylen se často používá jako obalový materiál, je to vlastně jeden z nejpoužívanějších plastů. Využití má v potravinářském i textilním průmyslu. Je odolný celé řadě chemikálií a má výborné mechanické vlastnosti.
- Kov: Výroba složitějších dílů technologií slévání či tváření a následným obráběním lze nahradit technologií kovového 3D tisku. Šetří se čas, finance a lze vytvářet konstrukčně složité díly, které by obvyklým způsobem nebylo možné vyrobit.
- Sklo: K tisku se používá skleněný prášek, který se vyrábí recyklací ze starého skla.
- Keramika: Lze tisknout např. kuchyňské náčiní i umělecké předměty.
- Čokoláda: Jako jeden z mála potravinových materiálů se čokoláda osvědčila pro použití s technologií FDM. Jelikož se dá působením tepla snadno přivést do pastovitého stavu a chová se tak podobně jako plastické hmoty používané při běžném 3D tisku, její použití otevírá nové možnosti. Základ je ve správném namíchání čokoládové hmoty, její chutě a barvy.
- Vosk: Vosk je při dodržení technologických postupů snadno tavitelný. 3D tisk pro vosk je s vrstvením od 0,015 mm. Je možné ho použít např. pro odlévání kovu.
- Organický materiál: Známý je případ vytištění čelisti a její následná implantace. Vědci už také zvládli vytisknout lidské ucho. Použitý materiál obsahoval živé buňky a hydrogel s alginátem, který měl zajistit dostatečnou pevnost a pružnost. Pevný, biokompatibilní materiál, který lze sterilizovat a je vhodný pro použití ve zdravotnických prostředcích.
Resiny pro resinový tisk
U resinového tisku je výběr materiálu plně podřízen požadované funkci finálního dílu:
- Pevné/Odolné resiny (Tough/Durable): Navrženy tak, aby simulovaly vlastnosti plastů jako ABS nebo PP.
- Pružné/Elastické resiny (Flexible/Elastic): Tyto materiály napodobují gumu a silikon s různou tvrdostí.
- Odlévatelné resiny (Castable Wax): Speciální pryskyřice určené pro klenotnictví a stomatologii.
Inovativní materiály pro udržitelnou výstavbu
Kromě betonu, cementu, kovu a plastu se brzy začnou používat i přírodní materiály, jako je dřevo. Dnes existují směsi s recyklovanými příměsemi, geopolymerními složkami, a nižší spotřebou cementu. To znamená ekologičtější výstavbu.
Čtěte také: Žádost o stavební povolení
Dřevo ve 3D tisku: "Laywoo-D3" a budoucí vývoj
Aby přírodní materiály, jako je dřevo, získaly ve 3D procesu dostatečnou stabilitu a mohly nést velké zatížení, je třeba ještě hodně investovat do výzkumu a vývoje. Pokud se vědě podaří zkombinovat pozitivní vlastnosti dřeva a využití 3D technologie, má stavebnictví velký potenciál. Přírodní materiál dřevo poskytuje vynikající izolaci, a proto je mimořádně energeticky účinný. Obnovitelná surovina s dlouhou životností a flexibilitou je zajímavá zejména pro projekty udržitelných budov.
Výzkum dřeva v procesu 3D tisku se zaměřuje zejména na interiérový design, nábytek a stavební komponenty. První slibné projekty již existují: inženýr Kai Parthy vyvinul dřevěné vlákno "Laywoo-D3". Obsahuje 15 až 40 % hmotnosti recyklovaného dřeva. Opticky je filament jen stěží rozeznatelný od skutečného dřeva. Charakteristická vůně je rovněž patrná. Lze jej tisknout při teplotě 175 až 250°C. Teplota určuje zabarvení - čím většímu teplu je vlákno během tisku vystaveno, tím tmavší je výsledek. Díky tomu lze mimo jiné napodobit roční letokruhy. I přes slibný začátek je zapotřebí dalšího intenzivního výzkumu, než bude možné tisknout dřevo v jeho čisté podobě. Tomuto konkrétnímu úkolu se věnuje mimo jiné Institut technologie dřeva v Drážďanech (IHD). Budoucí projekty se zaměřují na vývoj dřevěných částic, které lze použít v kompozitním polymeru a které obsahují až 90 % dřeva.
Uhlík: "Vysoký výkon, nízká hmotnost"
Kromě dřeva je slibným materiálem také uhlík, který v kombinaci s 3D technologií nabývá ve stavebnictví stále většího významu. Vědci z univerzity v Augsburgu nedávno vyvinuli vstřikovací proces, který šetří zdroje za účelem integrace krátkých uhlíkových vláken do cementových stavebních materiálů. Obyčejný beton se tak vyvíjí ve vysoce výkonný konstrukční biomateriál, který vykazuje velkou stabilitu. Uhlíková vlákna odolávají extrémnímu zatížení a ve srovnání s ocelí jsou o 80 % lehčí. Aby bylo zajištěno, že inovativní stavební materiál známý jako "FIBRACRETE" bude životaschopnou volbou v profesi, vědci z Augsburgu v současné době zkoumají metodu přenosu procesu injektáže na rozměry stavebních dílů. I zde se uplatňuje 3D technologie. Pro novou augsburskou výzkumnou budovu "Materials Resource Management" (MRM) tak byl položen základní kámen z FIBRACRETE, který také pochází z 3D tiskárny.
Výhody 3D tisku ve stavebnictví
Potenciál 3D tisku nespočívá jen v technologické zajímavosti. Slibuje řešení tří zásadních problémů současného stavebnictví: rychlosti, ceny a architektonických limitů.
-
Rychlost výstavby
Tradiční zdění je práce na týdny, ne-li měsíce. 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. Stěny běžného jednopodlažního domu lze vytisknout za 24-48 hodin čistého času. Celá stavba pak proběhne rychleji díky omezení mokrých procesů. Toto radikální zkrácení doby výstavby snižuje náklady na práci a umožňuje mnohem rychleji reagovat na poptávku po bydlení.
Čtěte také: Stavební řezivo Brno: Průvodce
-
Snížení nákladů a odpadu
Ačkoliv počáteční investice do tiskárny je vysoká, samotný provoz může být výrazně úspornější. 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 %. Tisk probíhá automatizovaně - potřeba pracovní síly je výrazně nižší. U menších projektů to může znamenat úsporu až 30-40 %. Směs se ukládá přesně tam, kde je potřeba. Nevzniká prakticky žádný odpad. Šetrné využívání zdrojů ve výrobních procesech je možné díky inovativnímu, přesnému a rychlému postupu, protože se použije jen takové množství materiálu, které je potřeba.
-
Architektonická svoboda
Toto je možná nejvíce vzrušující aspekt 3D tisku. Tradiční stavební metody upřednostňují rovné stěny a pravé úhly, protože jakékoliv zaoblení nebo organický tvar znamená složité a drahé bednění či atypické zdění. Pro 3D tiskárnu je však 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. 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, nižší spotřebou cementu. To znamená ekologičtější výstavbu.
Nevýhody a limity 3D tisku domů
Navzdory obrovskému nadšení je třeba zůstat realistou. Cesta 3D tisku ze stránek odborných časopisů na běžná staveniště je stále plná výzev:
-
Ne všechny části konstrukce lze tisknout: Stropy, schodiště, elektroinstalace a většina detailů se stále dělá ručně nebo prefabrikací.
-
Potřeba speciálních směsí: Nelze použít klasický beton B20-C25. Používají se mixy s rychlým tuhnutím, stabilizátory, nízkým smrštěním. To zvyšuje cenu materiálu.
-
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 + individuální posudky. Certifikace nových materiálů a procesů je zdlouhavá.
-
Vyšší investice do stroje: Cena samotných tiskáren je stále velmi vysoká a dostupná jen pro několik málo specializovaných firem. Velkoformátová 3D tiskárna stojí v řádech milionů Kč. Pro běžné firmy nedává smysl její samostatné pořízení.
-
Integrace řemesel: Je třeba vyřešit, jak efektivně integrovat výztuže, izolace a technické rozvody do tištěných struktur.
Je 3D tištěný dům levnější?
Krátká odpověď: ano i ne - záleží na projektu.
| Kdy je levnější (úspora 10-40 %) | Kdy není levnější |
|---|---|
| Jednopodlažní stavby, jednoduchá geometrie | Členité domy se složitou dispozicí |
| Modulární objekty | Vícepodlažní budovy (technologický limit) |
| Malé technické stavby | Projekty s náročnými statickými požadavky |
| Rekreační stavby | Stavby, kde tisk slouží jen jako „marketingové wow“ |
| Prefabrikace opakujících se prvků |
Budoucnost 3D tisku ve stavebnictví
3D tisk ve stavebnictví je stále na začátku své cesty. Je to technologie, která se učí chodit. Ale její příslib je příliš lákavý na to, abychom ho ignorovali. Slibuje totiž nejen efektivnější a levnější stavění, ale také návrat kreativity a jedinečnosti do architektury. Možná, že za pár desítek let už nebudeme říkat „postavit dům“, ale jednoduše „vytisknout dům“.
Do 5 let očekáváme:
- Standardizované směsi s nižší uhlíkovou stopou
- Širší normy pro statiku tištěných konstrukcí
- Rozšíření modulárních tištěných domů
- Tisk stropů pomocí hybridních systémů
- Tisk domů přímo na pozemku i prefabrikací v hale
Pro firmy to bude znamenat rychlejší výstavbu, méně pracovní síly a nižší náklady u opakovaných typů staveb. Digitální revoluce ještě více proniká do stavebnictví a změní architekturu zítřka. Individualizace a svoboda designu, pohodlná reprodukovatelnost, nákladová efektivita a šetrnost k životnímu prostředí jsou přesvědčivými argumenty ve prospěch 3D technologie.
tags: #stavebni #materialy #pro #3d #tisk