3D tlač – budúcnosť realizácie stavebných konštrukcií?

1. Úvod

Technológia 3D tlače zaznamenáva prudký rozvoj a preniká do rôznych oblastí priemyslu a ľudských činností vôbec. Nachádza svoje uplatnenie aj v stavebníctve, a to nielen pri tlačení architektonických modelov, ale aj priamo pri realizácii stavebných objektov, či dielcov. Pod 3D tlačou sa rozumie vytváranie priestorových objektov na základe digitálnych modelov postupným nanášaním vrstiev vhodného materiálu. Na začiatku sa vytvorí virtuálny 3D návrh objektu, ktorý sa následne špeciálnym softvérom rozreže na horizontálne vrstvy. Objekt je potom vytvorený v tlačiarni postupným nanášaním na seba nadväzujúcich a prepojených vrstiev.

Vývoj 3D tlače stavebných konštrukcií prebieha veľmi intenzívne na mnohých pracoviskách vo svete. Vyvíjajú sa strojné zariadenia, technologické systémy, softvérové vybavenie. Existujú nielen funkčné prototypy takýchto systémov, ale aj komerčne dostupné zariadenia. Vyvíjajú sa materiály pre danú technológiu, realizovali sa už prvé stavby, konštrukcie a rôzne objekty. Dá sa konštatovať, že všetky komponenty pre daný systém existujú, sú vyvinuté. Avšak bežné nasadenie tejto technológie v každodennej prevádzke sa zdá byť ešte dosť vzdialené. Dôvodom je nielen konzervatívny prístup stavebných firiem, opatrnosť pri nasadzovaní nie celkom dokonalo preverených technológií, či vysoká cena takýchto systémov. Je tu ešte množstvo technických, ekonomických, či sociálnych výziev, ktoré treba prekonať, aby bolo možné naplno využívať výhody a príležitosti, ktoré poskytuje táto nová technológia.

2. Koncepcia 3D tlače

Obr. 1: Príklad rámovej 3D tlačiareň – Contour Crafting 3D printer [3]

Obr. 2: Žeriavový typ 3D tlačiarne [4]

Obr. 3: Vizualizácia tlače dvojpodlažného objektu [5]

Obr. 4: Vznik trhlín pri nadmernom odparovaní vody a nevhodnom zložení materiálu pre 3D tlač [1]

K technickým aspektom 3D tlače patrí vývoj samotnej tlačiarne, strojného zariadenia, ktoré je schopné obsiahnuť primeraný pôdorys stavby. Zariadenie musí súčasne zabezpečiť vertikálny postup nanášania vrstiev v požadovanom rozsahu. Veľmi dôležitou požiadavkou je zabezpečenie tolerancií rozmerov konštrukcií, zabezpečenie zvislosti vertikálneho posunu, resp. zvislosť vertikálnych konštrukcií. Aby sa dosiahli tieto požiadavky musí byť technologické zariadenie dostatočne tuhé a súčasne mobilné, premiestniteľné od konštrukcie ku konštrukcii. Doteraz bolo vyvinutých niekoľko konceptov 3D tlačiarní. Typické koncepcie 3D tlačiarní pre stavebné konštrukcie sa uvádzajú na obr. 1 až 3.

Nanášanie vrstiev materiálu sa môže realizovať dvoma spôsobmi – vytláčaním jemnozrnného cementového kompozitu (cementovej malty) na podklad, alebo nanášaním vrstiev plniva, ktoré sa následne sprejujú (spájajú) tekutým spojivom.

Najbežnejším spôsobom 3D tlače v stavebníctve je vytláčanie cementovej malty z tlačovej hlavy. Pri tomto spôsobe sa vytláča povrazec plastickej cementovej malty na pevný podklad, resp. na predchádzajúcu vrstvu. Pre úspech metódy sú zásadnými reologické vlastnosti materiálu, tixotropia, rýchlosť tuhnutia a narastania pevnosti materiálu. Nanášaný materiál musí mať dobrú spracovateľnosť, vysokú plasticitu, aby ho bolo možné ľahko dopravovať hadicami až do tlačovej hlavy. Po nanesení na podklad však musí byť dostatočne tuhý, aby si zachoval požadovaný tvar (prierez nanášaného povrazca) a nedochádzalo k jeho deformácii od vlastnej hmotnosti. Pri nanášaní ďalšej vrstvy už musí mať dostatočnú pevnosť na prenesenie zaťaženia aj od novej vrstvy. Interval medzi nanášaním jednotlivých vrstiev môže byť veľmi rozdielny, v závislosti od veľkosti pôdorysu objektu, resp. od dĺžky nanášaného povrazca, rýchlosti vytláčania materiálu a posunu tlačovej hlavy, prípadne technologických prestávok. Pri nanášaní novej vrstvy nesmie dochádzať ku vzniku „studených spojov“. Spodná vrstva teda nemôže byť tak zatuhnutá aby nedošlo k prepojeniu s novou vrstvou. Tieto požiadavky na materiál sú veľmi náročné a do značnej miery protichodné (dobrá spracovateľnosť pri doprave verzus dostatočná tuhosť po nanesení). Pri formulovaní receptúry treba mať na zreteli aj skutočnosť, že materiál nebude uzavretý v debnení, alebo forme a teda odparovanie vody môže byť oveľa intenzívnejšie, čo v spojení s jemnosťou materiálu kladie nároky na riešenie zmrašťovania materiálu. Pri nevhodnom zložení zmesi môže dochádzať pri 3D tlači ku vzniku trhlín (obr. 4).

K výhodám metódy možno zaradiť rýchlosť výstavby, v literatúre sú referované realizácie domov v priebehu desiatok hodín. Výhodou je nízka prácnosť samotnej realizácie, uvádza sa zníženie spotreby živej práca na 50 %. K slabším stránkam technológie patrí možnosť realizácie len zvislých konštrukcií, resp. naklonených stien s náklonom max. 45 ° od zvislice, viditeľnosť vrstiev, čo vyžaduje povrchovú úpravu. Problémom je tiež komplikované vystužovanie prvkov.

Metóda 3D tlače spájaním kameniva spočíva v nanášaní jemných vrstiev piesku, ktoré sa následne na plochách zodpovedajúcich danému pôdorysnému rezu objektu sprejujú tekutým spojivom (napr. polymérnymi živicami). Tento proces sa opakuje až do nanesenia poslednej vrstvy. Nespevnené časti vrstiev piesku slúžia ako podpora pre nasledovné vrstvy. Po nanesení a zatvrdnutí poslednej vrstvy sa nespevnený piesok odstráni (napr. odsávaním). Takýmto spôsobom možno vyrobiť objekt s prakticky akýmkoľvek tvarom. Rozmery objektu sú limitované objemom tlačovej komory.

3. Kontrola reologických vlastností

Obr. 5: Vplyv prísady Casucol Fix1 na konzistenciu (priemer rozliatia) cementových mált

Obr. 6: Vplyv prevzdušňovacej prísady Silipon na konzistenciu (priemer rozliatia) cementových mált

Obr. 7: Vplyv prísady Casucol Fix1 v kombinácii s prísadou Silipon na zmenu konzistencie cementových mált

Reologické vlastnosti cementových kompoztitov pre 3D tlač môžu byť regulované aplikáciou rôznych prísad a prímesí. V príspevku sa uvádzajú výsledky, ktoré sa dosiahli pri overovaní vplyvu prísady Casucol Fix1 (prísada na báze škrobu) a prevzdušňovacej prísady Silipon. Od prísady Casucol sa očakávalo spomalenie zmeny konzistencie, straty spracovateľnosti, čo je pre aplikáciu materiálov metódou 3D tlače veľmi dôležité. Prevzdušnenie kompozitov zasa vedie k zlepšeniu spracovateľnosti a zvýšeniu kohézie kompozitov, čo napomáha zachovaniu tvaru kompozitu po vytlačení.

Vplyv prísad sa overoval na cementových maltách, ktoré sa pripravili z portlandského cementu CEM I 42,5 R Rohožník, ako plnivo sa použil piesok frakcie 0/1 mm z lokality Šaštín. Pomer plniva a cementu bol 3:1 a vodný súčiniteľ 0,6. Malty boli modifikované prísadou Casucol Fix1 v dávke 0,05 a 0,1 % z hmotnosti cementu a prísadou Silipon RN 6031 air v dávke 0,1 a 0,2 % z hmotnosti cementu. Malty sa pripravovali v normovej laboratórnej miešačke. Konzistencia cementových mált sa stanovovala na Haegermannovom rozlevovom stolíku. Rýchlosť zmeny konzistencie sa sledovala opakovaným meraním priemeru rozliatia v priebehu 60 min.

Vplyv prísady Casucol Fix1 na konzistenciu cementových mált je zrejmý z obr. 5. S narastaním dávky prísady sa mierne spomaľovala strata spracovateľnosti cementových mált. Keďže prísada viaže časť zámesovej vody, mierne sa zhoršovala konzistencia, zmenšoval sa priemer rozliatia cementových mált.

Vplyv prevzdušňovacej prísady Silipon na konzistenciu mált sa uvádza na obr. 6. Prevzdušnenie mált viedlo k zlepšeniu spracovateľnosti cementových mált s časom odležania.

Veľmi dobré výsledky sa dosiahli pri kombinácii obidvoch prísad (obr. 7). V tomto prípade nedošlo k zhoršeniu začiatočnej spracovateľnosti a konzistencia cementových mált sa prakticky počas merania (60 min) nemenila.

4. Záver

Technológia 3D tlače domov, konštrukcií a dielcov je relatívne nová, perspektívna technológia. Jej širšiemu nasadeniu najviac bráni pomerne vysoká cena samotného zariadenia a tiež niektoré technologické obmedzenia. Technológia je veľmi efektívna pre tlač zvislých konštrukcií bez výstuže. Tlačenie ostatných konštrukcií, ako horizontálne dosky a nosníky, schodišťové konštrukcie a pod. (vystužené konštrukcie) nie je zatiaľ uspokojivo zvládnuté. Na druhej strane táto technológia podstatne znižuje spotrebu živej práce a teda znižuje náklady na pracovnú silu. Výrazne tiež skracuje proces výstavby. Systém možno prakticky plne automatizovať a môže pracovať nepretržite. Pri výrobe materiálov pre 3D tlač možno využiť pomerne vysoký podiel recyklovaných surovín. Vyvíjajú sa nové materiály so špecifickými vlastnosťami. Dá sa teda očakávať, že vývoj bude pokračovať veľmi rýchlo a 3D tlač sa stane v relatívne blízkej budúcnosti bežnou stavebnou technológiou.

Článok bol vytvorený v rámci riešenia projektu VEGA č. 1/0501/17 s názvom: „Enviromentálne akceptovateľné materiály a technológie na stavbu dopravných plôch.“

Literatúra

1. De Schutter, G. – Lesage, K. – Mechtcherine, V. – Nerella, V. N.: Vision of 3D printing with concrete — Technical, economic and environmental potentials. Cement and Concrete Research 112 (2018) 25–36.
2. Kovářík, M.-Svoboda, P.-Štemberg, P.: Přehled dostupných technologií 3D tisku z cementových malt. Beton, Technologie, Konstrukce, Sanace, 2/2018, roč. 18, s. 3–16.
3. Contour Crafting Prepares for Series Production of Robotic Construction 3D Printers. Dostupné z:
   https://3dprint.com/178100/contour-crafting-series-production/
4. What are some of the most innovative building construction techniques? Dostupné z:
   https://www.quora.com/What-are-some-of-the-most-innovative-building-construction-techniques
5. 3D printing is revolutionizing the future of cities. Dostupné z: https://modelur.eu