3D tištěný portál: Beton, digitální geometrie a redefinice stavebního prvku

Úvod

Na Kloknerově ústavu ČVUT v Praze probíhá výzkum 3D tisku cementových kompozitů od roku 2016. V návaznosti na tento výzkum vznikla Laboratoř inovací, která se stala zázemím pro vývoj technologií, materiálů i konkrétních architektonických aplikací. U příležitosti pátého výročí laboratoře byla v Galerii NTK uspořádána výstava Vrstvy možností 3D tisku, jejímž cílem bylo představit dosavadní výsledky výzkumu, zhodnotit získané zkušenosti a shrnout hlavní tematické okruhy, jimž se laboratoř v uplynulých letech věnovala.

První etapa výzkumu byla zaměřena především na hledání vhodné technologické koncepce. Jako nejperspektivnější se ukázal systém dvoukomponentního tisku, při němž je čerpaná cementová směs dopravována hadicovým systémem k extrudéru, kde se následně spojuje s kapalným urychlovačem. Technologie vznikla kombinací již existujících principů čerpání materiálů, známých například z injektáží a lití, s principem urychleného ukládání směsi využívaným při torkretování. Klíčovým úkolem bylo navrhnout mísicí extrudér a nastavit optimální poměr cementové směsi a urychlovače tak, aby systém vyhovoval specifickým požadavkům aditivní výroby [1, 2].

Na projektu 3D STAR spolupracoval mezioborový tým složený z odborníků různých profesí. Strojaři a mechatronici z Technické univerzity v Liberci vyvinuli testbed pro ověřování technologie, zatímco materiáloví inženýři z Kloknerova ústavu se věnovali vývoji tiskové směsi [1, 2]. Současně vznikl tým zaměřený na návrh systému a jeho architektonické uplatnění. Jeho součástí byli dva architekti se zkušeností s navrhováním budov i drobných architektonických prvků a také sochař s praktickou znalostí restaurování a ornamentiky. Díky tomuto propojení technických, materiálových a výtvarných přístupů byla od počátku sledována nejen funkčnost a proveditelnost technologie, ale i estetická kvalita výsledných objektů a jejich uplatnění v architektuře.

Výsledkem vývoje se stala řada realizovaných objektů využívajících různé estetické a statické principy [3, 4, 5]. Nejvýraznějším motivem se přitom stala voštinová struktura. Prvek, který u FDM tisku plastů běžně slouží jako výplň a odlehčení uzavřených objemů, byl v tomto případě přiznán a využit jako svébytný ornamentální princip. Portálový objekt byl navržen jako ukázka možností 3D tisku betonu v oblasti architektonické a výtvarné tvorby. Důraz byl kladen na přirozené propojení konstrukčního řešení s celkovým estetickým vyzněním objektu. Jedná se o stěnový prvek složený z voštinových segmentů, do něhož je portál vytvořen geometrickou deformací základního rastru stavebního systému.

Tento lokální vývoj zároveň odpovídá širšímu mezinárodnímu trendu výzkumu 3D tisku betonu, který se soustředí na optimalizaci materiálů, výrobních procesů i udržitelnosti. Aktuální přehledové studie ukazují, že světový výzkum věnuje značnou pozornost pokročilému návrhu tiskových směsí, řízení reologických vlastností a nastavování tiskových parametrů, které zásadně ovlivňují zpracovatelnost, stabilitu během tisku i výsledné mechanické vlastnosti cementových kompozitů pro stavební aplikace. Současně se rozvíjí výzkum multifunkčních a environmentálně šetrnějších variant betonu, jejichž cílem je snižování ekologické zátěže [6]. Vedle vývoje materiálů se prosazují také nové geometrické a výrobní strategie. Příkladem jsou tvarově proměnlivé samonosné lamely umožňující tisk rozsáhlejších převislých konstrukcí bez potřeby dodatečného podpůrného systému. Tyto přístupy dále rozšiřují architektonické i konstrukční možnosti 3D tisku betonu a potvrzují jeho rychlý vývoj v mezinárodním kontextu [7].

Podmínky a východiska návrhu

Obr. 1 Vytištěný stavební prvek s modelem portálu

Objekt byl navrhován pro vystavení v předem určeném prostoru galerie NTK k příležitosti výstavy „Vrstvy“, s následným trvalým umístěním v exteriéru na zatím neznámém místě. Z této specifikace vyplývají omezení návrhu a výsledného objektu, která se dají rozdělit do tří kategorií: omezení prostorová, technická a materiální.

Omezení prostorová

Prostorová omezení byla dána konkrétním prostředím galerie v parteru Národní technické knihovny. Galerie je dvoupodlažní a její prostor formuje atrium lemované ochozem. Právě tyto dispoziční podmínky zásadně ovlivnily hmotové i kompoziční řešení návrhu. Prostor galerie působí převážně horizontálně, zatímco atrium do něj vnáší silný vertikální prvek. Vzhledem k tomu, že navrhovaný objekt byl zamýšlen i pro budoucí využití v exteriéru, ukázal se objem galerie jako poměrně limitující. Jako nejvhodnější proto bylo zvoleno horizontální kompoziční řešení s výrazným výtvarným akcentem soustředěným do prostoru atria.

Omezení technická

Technická omezení prostoru bylo nutné předběžně vyhodnotit už ve fázi návrhu, protože zásadně ovlivnila způsob instalace objektu. Přesnou nosnost stropní, respektive podlahové konstrukce mezi galerií a podzemním parkovištěm nebylo možné spolehlivě doložit, a proto se vycházelo z nejnižší normové hodnoty. U návrhu betonových objektů přitom jde o parametr, kterému je třeba věnovat mimořádnou pozornost. Velmi nízká byla rovněž vyhodnocená únosnost pochozí vrstvy galerie, tvořené asfaltovou stěrkou. I z tohoto důvodu byla do návrhu začleněna roznášecí konstrukce ze šesti palet, která umožnila bezpečné roznesení zatížení. Významným limitem byla také dostupnost prostoru. Galerie v úrovni prvního podlaží navazuje bezbariérově na okolní terén, přístupová trasa má podjezdnou výšku přes 2 m a jejím nejužším místem jsou vstupní dveře široké 1,8 m. Kvůli omezené únosnosti podlahy i výšce stropů však nebylo možné využít těžší manipulační techniku. Montáž i instalace proto probíhaly výhradně ručně.

Omezení materiální

Maximální množství použitého materiálu – cementového kompozitu – bylo stanoveno na 1 m³ ± 20 %, a to s ohledem na ekonomické hledisko i výše zmíněné omezení nosnosti podlahy galerie. Maximální doba tisku objektu byla určena na pět dní, rovněž z ekonomických důvodů a s ohledem na termín výstavy. Maximální rozměr jednotlivých dílů vycházel z velikosti palety, která sloužila jako tisková podložka, a následně i k transportu hotového dílu. Maximální hmotnost jednoho dílu byla nejprve stanovena na 60 kg, později však byla navýšena na 100 kg s ohledem na požadavky ruční montáže. Maximální počet dílů předem určen nebyl.

Vyhodnocení omezení

Výše zmíněná omezení jsou výběrem spíše menší části velké škály faktorů, které lze racionálně vyhodnotit nebo škálovat. Ostatní faktory, které ovlivňovaly návrh, byly převážně iracionálního rázu a byly řešeny rozhodováním na bázi zkušenosti nebo intuice, lze je tedy charakterizovat jako výtvarnou část práce. Shrnutím a vyhodnocením výše zmíněných omezení byla stanovena předběžná charakteristika objektu: 5– m dlouhý a max. 3,5 m vysoký objekt na sucho skládaný z menších součástí, jejichž váha nepřesáhne 100 kg. Celková váha nepřesáhne 2 t.

Návrh objektu

Návrh objektu vychází z prosté podmínky, že ornament/výtvarný prvek nesmí zvýšit komplexitu konstrukce a výrobního procesu, a zároveň konstrukce a výrobní proces nesmí omezit výtvarný prvek. Podmínkami popsanými v předchozí kapitole bylo definováno, že navrhovaný objekt by měl být 5 až 8 m dlouhý a max 3,5 m vysoký, na sucho skládaný z menších součástí, jejichž váha nepřesáhne 100 kg. Celková váha objektu nesměla přesáhnout 2 t. Objekt je výtvarně a konstrukčně zaměřený na ornament a skladebnost různých úrovní a měřítek. Provázanost konstrukčního řešení a výtvarné kvality v tomto konkrétním návrhu spočívá v povýšení konstrukčního principu na ornamentální prvek a utilitární prostup zdí na zdobený portál, ale takovým způsobem, aby nešlo o prostou dekoraci a objekt nezapadl do kategorie prvoplánového kýče. V návrzích, které předcházely realizovanému objektu, bylo hlavní hledání struktury, která by definovala stavební systém. Bylo zkoušeno mnoho geometrických vzorů, které pracují s modulárními tvary, které do sebe zapadají a současně vyplňují plochu. Bohužel všechny tyto možnosti se staly v rámci komplexnosti deformace, která měla vytvářet ornament portálu, nerealizovatelné. V mnoha případech narážely na velikosti prvků, a tím na měřítko rozpoznatelnosti. Hlavní komplikací zde byl poměrný vztah mezi tloušťkou stopy a velikosti modulu (prvku). Další limitací byla proveditelnost a statické fungování celé konstrukce. Jedná se o konstrukci, která je dočasná a bylo nutné její rozebrání na původní tištěné kusy. Proto byl požadavek na statické spolupůsobení sestavených dílů, v ideálním případě bez lepení dílů ve spárách. Nakonec s ohledem na bezpečnost byla konstrukce dočasně bodově slepena sádrovým tmelem.

Obr. 2 Nerealizovaná varianta – návrh využití principu smyček pro vytvoření systému propojených prvků, nerealizováno z důvodu nečitelnosti v daném měřítku a nestability určitých segmentů

Parametry tisku

Tiskárna

Tiskový systém Testbed, na kterém je tato experimentální lávka vytištěna, byl vyvinut během projektu 3D STAR ve spolupráci Kloknerova ústavu, ČVUT v Praze a Technické univerzity v Liberci. Jedná se o masivní portálový trojosý systém schopný manipulace s tiskovou hlavou v prostoru 3200×1000×1000 mm. Vývoj samotné tiskové hlavy probíhá kontinuálně dál, tak aby byla postupně zlepšována její spolehlivost i jednoduchost obsluhy. Jedná se o 2K tiskový systém, což znamená, že je využíván tiskový materiál, který není předem urychlený a k jeho rychlému tuhnutí dochází až po přidání urychlující složky v tiskové hlavě. Toto řešení dovoluje v závislosti tvaru tištěného objektu pracovat s délkou tisku jedné vrstvy v řádu vteřin, což je u menších objektů zásadní. Zároveň je možnost exaktně řídit rychlost tuhnutí extrudovaného materiálu, která může být výrazně ovlivněná vnějšími vlivy, jako například teplotou prostředí.

Materiál

Protože tisk objektu portálu nebyl přímo zaměřen na výzkum materiálu, byl zvolen ověřený materiál – cementový kompozitní materiál pro 3D tisk vyvinutý v projektu 3D STAR.

Základní receptura tohoto materiálu je již delší dobu ustálená a je z něj vytisknuto množství prvků, ze kterých bylo během let získáno mnoho měření a zkušeností o chování materiálu během tisku. Jde o jemnozrnný cementový kompozit s tlakovou pevností na úrovni 50 MPa. Obsažené je kamenivo do velikosti 1 mm a další jemné podíly a přísady. Postupným vývojem došlo k přidání výztužných PVA vláken přímo do směsi, která zamezují vzniku mikrotrhlin při tuhnutí a smršťování a zvyšují houževnatost vytištěných objektů. Výhodou materiálu je jeho dobrá čerpatelnost a tixotropní vlastnosti zajišťující základní míru stavitelnosti, než začne účinkovat urychlující složka vstřikovaná do směsi v tiskové hlavě těsně před extruzí. Znalost složení materiálu dovoluje dále pokračovat s vývojem, který je zaměřen především na snížení smrštění a možnosti zlepšení jeho tahových vlastností, ať už přidanou výztuží nebo interně, složením materiálu.

Obr. 3 Rozdělení prvků pro tisk

Před tiskem prvků samotného portálu bylo vytištěno několik prototypů kritických prvků, zejména s ohledem na ověření chování při tisku detailních částí silně transformované geometrie u hran průchodu. Na základě několika testovacích tisků byla zvolena maximální možná míra detailu, a tím i minimální možná velikost transformovaného prvku. Testování proběhlo během jednoho tiskového dne, a následně pak byly během dvou dnů vytištěny všechny zbylé prvky o celkovém tištěném objemu cca 850 litrů a váze 1870 kg. Příprava tiskových drah probíhala v programu Rhinoceros a Grasshopper, kde byla zároveň parametricky provedena transformace geometrie i převod jednotlivých křivek na vstupní soubor pro 3D tiskárnu. Základními parametry jsou výška tiskové vrstvy 10 mm, šířka extruze 20 mm a rychlost tisku 120 mm/s. V rámci celku objektu se tyto parametry vzájemně mírně liší, nicméně jde spíše o drobné artefakty geometrické transformace vzoru, které jsou v tomto případě zanedbatelné, případně jde o výsledek kresby ornamentu v poslední viditelné vrstvě.

Výsledky

Výsledný objekt je stěnový prvek tvořený voštinovými stavebními prvky s portálem vytvořeným geometrickou deformací rastru stavebního systému. Voštinový princip vytváří optický efekt, který při pohybu před voštinou mění dojem hmoty. Z čelního pohledu je konstrukce subtilní, ale z bočního pohledu z důvodu absence průhledů působí konstrukce mnohem hmotněji. Stavební systém a ornament je v objektu propojen na třech úrovních: úroveň stavebního prvku, úroveň stavebního systému a úroveň deformace celku.

Úroveň stavebního prvku

Jednotlivé prvky stavebního systému jsou bloky proměnlivé hloubky tvořené obvodovou stěnou s voštinovou výztuhou podepírající středy zatěžovaných stěn a ztužující v diagonálním směru. Tvar je produktem provázání možností technologie výroby, funkce výztuhy a výtvarného záměru. Z hlediska technologie výroby musí být křivka vykreslující tvar uzavřená smyčka, není tedy možné pracovat s trojúhelníky a topologií, kde se dělí křivky v lichých počtech, jako jsou například trojúhelníkové příhrady. Z hlediska konstrukce zvolený tvar vybočujících svislých podpor zajišťuje středovou podporu i diagonální ztužení. Výtvarné řešení prvku bylo vědomým výběrem nejlepšího řešení z množství možností. I přes zdánlivě se opakující vzor nejsou všechny prvky stejné, jejich geometrie se v drobných detailech liší z důvodu třetí úrovně ornamentu – deformace celku.

Úroveň stavebního systému

Stavební systém je jednoduchá překládaná vazba stavebních bloků úmyslně se odkazující na archetyp zdiva. Je to jediná část návrhu, kde byl vědomě udělán kompromis ve smyslu zjednodušení výtvarného řešení. Tento kompromis byl vynucen prostorovým omezením galerie a omezením celkové velikosti objektu. Abychom docílili kýženého vjemu opakovaného ornamentu, zjednodušili jsme stavební systém na obecný princip zdiva, který je podvědomě a okamžitě čitelný i přes malý počet použitých prvků.

Úroveň deformace celku – portál

Do ornamentálního zdiva stavebního systému je vyražen portál.

Celý ornamentální portál je vytvořen otočením stavebního systému do středu koule podle vzorce:

kde je

r

poloměr koule

d

vzdálenost přenášeného bodu A od středu koule

A

přenášený bod

D´

vzdálenost přeneseného bodu A´ od středu koule ležícího na úsečce |SA|

A´

přenesený bod ležící na úsečce |SA|

Tato transformace je vzdáleně podobná Möbiově transformaci. Jednoduchou číselnou transformací všech bodů geometrie stavebního systému je vytvořen složitý neopakující se ornament kruhových výsečí, který by byl prakticky nevyrobitelný jinou než digitální technologií. Provázanost ornamentu s konstrukcí se zde stává doslovnou a metaforickou. Do ornamentu portálu bylo nadále zasaženo tak, že byly ponechány jen přenesené body uvnitř koule a byly z tisku vyřazeny příliš malé tvary. Ornament se zmenšuje přímo úměrně vzdálenosti přeneseného bodu od středu koule, vzniká tak problém s šířkou tiskové dráhy, která při tisku zůstává konstantní. Aby bylo zamezeno příliš velkým překryvům tiskových drah v místech blízko středu koule, nebyla transformována geometrie osy tiskové dráhy, ale její vnější obrys, který byl až následně odsazen o polovinu šířky tak, aby vznikla osa tiskové dráhy ve správné pozici. Dalším zásahem do ornamentu portálu bylo propojení malých dílů do větších celků. K této úpravě jsme přistoupili z důvodu minimální délky dráhy tisku. Vytlačený beton z trysky musí mít dost času na zatuhnutí, než je na něj nanesena další vrstva. Minimální čas se může lišit v závislosti na mnoha faktorech, obecně ale platí, že je výhodnější tisknout velké díly s dlouhou dráhou vrstvy.

Obr. 4 Vytištěný a složený portál v prostoru galerie NTK

Závěr

I přes omezení daná výstavním prostorem se podařilo navrhnout a realizovat objekt, u něhož dochází k optimálnímu propojení vizuálních a konstrukčních principů. Hlavním přínosem použité technologie 3D tisku betonu byla vysoká efektivita v neopakované výrobě. Stavební systém a ornament je v objektu propojen na třech úrovních: úroveň stavebního prvku, úroveň stavebního systému a úroveň deformace celku. I přes zdánlivě se opakující vzor nejsou všechny prvky stejné, jejich geometrie se v drobných detailech liší z důvodu třetí úrovně ornamentu – deformace celku. Rozdělení na menší díly vedlo k jednoduché manipulaci při stavbě objektu v prostoru s přísnými omezeními. Logika návrhového přístupu spočívá v modularitě a adaptabilitě, kdy může být celkový vzor či prvek pokrývající plochu nebo prostor lokálně transformován podle potřeby, například pro umístění dveří či oken. Parametrické vlastnosti návrhu umožňují v rámci daného prvku a typu transformace jednoduchou úpravu celkových rozměrů nebo pozice transformované části. V rámci navrhování bylo shledáno, že návrh pro ornament je mnohem komplexnější než u stavebního prvku, ale posléze, kdy je geometrie definována, je možné tento program dále využívat. Dráhy pro tisk byly generovány v Rhino Grasshoper, čímž je umožněno využít stejného systému, který je možno parametricky měnit pro danou situaci. Pro použití v praxi je však nutný další vývoj nástroje pro jednoduchou přípravu geometrie a tiskového kódu. V případě objektu portálu šlo o experimentální prvek, tzn. nyní byl algoritmus navržen a otestován na míru tohoto prvku. Do budoucna se tak nabízí například vytvoření dalších typů základního prvku nebo transformací.

Literatura

1. Čítek D., Bureš V., Melter O., Hvízdal A., Hurtig K., Suchomel J., Kolísko J. – Experimentální vývoj 3D tisku cementových kompozitů, In: BETON TKS, 1/2022 Technologie, str. 7–11, ISSN 1213-3116
2. Čítek, D.; Řeháček, S.; Dobiáš, D.: Experimental Research on 3D Printed Construction from Cement Based Composites, In: Proceedings of 22^nd International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2022. Sofia: STEF92 Technology Ltd., 2022. vol. 22. ISSN 1314-2704. ISBN 978-619-7603-48-4.
3. V. Bureš, D. Čítek, P. Zelený, R. Mendřický, Návrhy konstrukčních prvků s využitím cementového kompozitu tisknutého 3D technologií, Konstrukce, Ostrava, KONSTRUKCE Media, s.r.o., p. 24–28, 5 pages, ISSN: 1213-8762, Online, 2023
4. J. Suchomel, V. Bureš, J. Válek, D. Čítek, J. Kolísko. Experimental development of 3D printing using cement composites, In.Abstract book WMCAUS, 2022
5. Suchomel, V. Bureš Sequentional on-site Printing of Building Structures, In: VSB - Technical University of Ostrava, Conference Architecture in Perspective, 2022-03-23
6. Alkhalidi, A.; Hatuqay, D. Energy efficient 3D printed buildings: Material and techniques selection worldwide study. Journal of Building Engineering, 2020, vol. 30, s. 1-13. ISSN 2352-7102. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101286.
7. Huang, S.; Xu, W.; Anton, A.; Dillenburger, B. Self-supporting lamellae: Shape variation methods for the 3D concrete printing of large overhang structures. Additive Manufacturing, 2024, vol. 91, s. 1-24.
   https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104329.