Na bydlení to zatím není. Česká 3D tiskárna budov má své první výsledky

Největší 3D tiskárna pro tisk konstrukcí budov v Česku vznikla v Třešti. Jedná se o rozsáhlý projekt, vzniklý na základě spolupráce mezi Ústavem konstruování a částí strojů Fakulty strojní ČVUT v Praze, Experimentálním centrem Fakulty stavební ČVUT a společností Strojírny Podzimek a Podzimek a synové. Jak to vypadá po zhruba čtyřech letech experimentování s 3D tiskem betonových objektů?

Cílem projektu byl nejen vývoj 3D tiskárny, ale také zvládnutí problematiky zpracování a řízení vlastností tiskové hmoty. Pracovníci Ústavu konstruování a částí strojů navrhli kompletní konstrukční část 3D tiskárny, technologii dopravy tiskové směsi k trysce, zajišťovali řízení prvních tisků a přípravu vstupních dat. Součástí projektu byl také návrh testovací tiskárny. Ta byla vyvinuta pro prvotní experimenty s tiskovou hmotou, respektive k vývoji speciální hmoty vhodné pro 3D tisk, odborníky z Fakulty stavební ČVUT v Praze.

JAK TO FUNGUJE

Tiskárna nevyužívá, jako mnoho obdobných projektů, robotickou ruku, ale pro její konstrukci byla zvolena koncepce portálu pojíždějícího po kolejnicích. V tomto portálu se vertikálně pohybuje příčník, po kterém pojíždí vlastní tisková hlava. Toto řešení tvoří pracovní prostor tiskárny o půdorysu 15 m × 7,5 m a výšce 5,5 m. „Rozměry by mohly být i větší, ale pro účely experimentálního tisku jsou takto zcela dostačující,“ doplňuje Ing. Marek Štádler z Ústavu konstruování a částí strojů Fakulty strojní ČVUT v Praze.

„Vše začne tím, že architekt navrhne budovu například v ArchiCadu nebo Revitu v BIMu. Následný projekt jde do postprocesoru a ten nám přeloží geometrii do CNC kódu. Je to stejný postup jako například u tiskáren od Průši. Jen u nás je kód o něco složitější, obsahuje více obslužných funkcí, které pokrývají zejména přípravu, dopravu a aktivaci tiskové hmoty,“ říká Štádler.

„Pak už je klasický systém řízení, který rozděluje jednotlivé pokyny řídícímu programu Sinumerik a PLC,“ odhaluje technická specifika.

Řízení 3D tiskárny je založeno na průmyslovém řešení a využívá systém Sinumerik od společnosti Siemens. Činnost tiskárny je tedy analogicky s CNC obráběcími centry ovládána pomocí G-kódu. Tím je také ovládána doba nástupu tuhnutí tiskové hmoty. K tisku budovy tedy poté stačí projekt předem připravený v počítači, jenž tvoří základ každého tisku.

Na následnou obsluhu tiskárny jsou zapotřebí dva lidé, kdy jeden se stará o přípravu směsi a druhý, který řídí a kontroluje průběh tisku. Tiskárna je schopná, jako jedna z mála na světě, pracovat ve venkovním prostředí bez ochranné stavby a umožňuje tisknout budovu přímo na místě, kde trvale zůstane.

JE TO VÍC MALTA NEŽ BETON

Složení pilotních směsí bylo nejprve testováno v laboratoři, kde vzniklo více variant. Tisková hmota byla však finálně upravena až při experimentálních tiscích na zhotovené 3D tiskárně, která má oproti testovací tiskárně svá specifika, daná dopravní délkou, povětrnostními vlivy a nutnými technologickými přestávkami. Je třeba zmínit, že se v tomto případě nejedná o tradiční beton, který je všeobecně znám ze stavební praxe. Finální hmota používaná pro 3D tisk z betonu je spíše malta, neboť maximální zrno použitého kameniva nepřesahuje 4 mm.

„Horní omezení nám dává průřez tištěné vrstvy v kombinaci s technologií přípravy a dopravy tiskové hmoty. Při použití kameniva například s frakcí 8 mm by byla práce s tiskovou hmotou a její ukládání problematické. Také povrch tištěného objektu by měl výrazně hrubší strukturu,“ vysvětluje Štádler z ČVUT. V každém případě je potřeba čerpadlo o nízkém průtoku, ale vysokém tlaku.

Zpracování tiskové hmoty je v tomto zařízení řešeno unikátní metodou, díky níž lze plynule regulovat dobu nástupu jejího tuhnutí. Vlastní regulační systém tuhnutí a tvrdnutí je důležitým faktorem řízení celé tiskárny, neboť to umožňuje tisk prvků různých velikostí a umožňuje provozuschopnost za různých klimatických podmínek. Tisknout v dešti například ničemu nevadí.

„Pro směsi na bázi cementu používané pro 3D tisk je charakteristické, že se snažíme změnit jejich standardní chování. Klasický beton začíná tuhnout v řádech hodin. My potřebujeme směs, která nám dovolí ji dopravit na dlouhé vzdálenosti aniž by započala tuhnout a následně její proces tuhnutí skokově nastartovat,“ vysvětluje Štádler. Základní hmota podle něj vypadá podobně jako například flexi lepidlo. Namíchaná hmota vydrží asi dvě hodiny a lze s ní jakkoli pracovat. Následně se v tiskové hlavě hmota změní, dojde k její aktivaci a stane se tisknutelnou, tedy takovou, která je tuhá a drží tvar. Jedná se tedy o chemický i mechanický proces.

Většina nepovedených tisků podle Štádlera nevznikne tak, že by se spodní vrstvy roztekly. Většinou dojde k vyboulení stěny a k problémům se stabilitou výtisku.

BYDLENÍ VE VYTIŠTĚNÉM DOMĚ? ZATÍM ZAPOMEŇTE

„Zatím jsme ve fázi, kdy jsme vyrobili linku na auta. Ta vyrábí tu lepší, tu horší vozy, ale nikdo k nim zatím nevydá technický průkaz,“ připodobňuje Marek Štádler situaci s 3D tištěnými domy. Nikdo si podle něj zatím netroufne do vytištěných domů pustit lidi. Struktura stěny je něco mezi dutou cihlou a betonem. „Na rozdíl od cihly je to ale monolit. Když dojde k prasklině, tak ta proběhne celou zdí. A certifikaci na monolitický beton také nedostanete. Norma definuje kdy se jedná o betonovou monolitickou konstrukci a jaké parametry musí splňovat 3D tištěný beton se do těchto definic zatím nevejde,“ naráží Štádler na mezery v legislativě. „Problém je, že se jedná o něco nového, něco jako skořepinový monolit, zhotovený ovšem, z pohledu stavebnictví, velmi neobvyklou metodou.“

Zároveň dodává, že i když se legislativní cesty, jak 3D budovy obývat, najdou, stejně nebude tato technologie vhodná pro všechny typy domů. „Když budete chtít postavit jednoduchou garáž, vezmete si na pomoc kamaráda a za den ji tradičním způsobem postavíte. Zbyde vám ještě čas zajít na pivo. Pokud byste si takovou garáž chtěli dnes tisknout, bude to ve výsledku pomalejší i dražší. A to se dost pravděpodobně v blízké době nezmění,“ zmiňuje. Na druhou stranu dává 3D tisk ohromnou svobodu architektům. „Výrobu komplikovanějších geometrií může naopak 3D tisk zjednodušit a ve výsledku i zlevnit,“ tvrdí Štádler.

A ještě je tu jeden aspekt, jenž vyvstane při pohledu do budoucnosti stavebnictví. „Vývoj naznačuje, že v dohledné době možná žádní stavební dělníci nebudou. Pak nám nezbyde než hledat řešení v robotizaci. Hrubou stavbu dokážeme udělat bez zedníků za den nebo dva. Robotizace se dřív nebo později ve stavebnictví prosadí, proto chceme ve vývoji 3D tiskárny pokračovat. V případě zájmu investorů můžeme v budoucnu pokračovat tiskem dalších domů,“ říká Martin Podzimek, ředitel stejnojmenné strojírenské a stavební firmy, která na projektu v Třešti úzce spolupracuje.

Text: Hynek Just ve spolupráci s Markem Štádlerem