Domy z tiskárny

Když byla v roce 1452 vytištěna první kniha, byla to pro celý svět významná revoluce. Další staletí se pak tisk vyvíjel jen pomalou evolucí. K písmenkům přibyly obrázky, k černobílým ilustracím barevné. Ke knihám časopisy a noviny. Další výrazný přelom však přinesl až nástup 3D tisku. Když byla v roce 1983 představena první 3D tiskárna a o tři roky později byl tento postup patentován, předvídali odborníci této metodě umožňující vytvářet trojrozměrné předměty z plastu velkou budoucnost. 

Ale ani po letech se stále nedostala ze zajetí školních laboratoří a projekčních kanceláří testujících prototypy nových výrobků. K zavedení masové výroby s pomocí 3D tisku má svět stále ještě daleko. Důležitou změnou bylo zavedení 3D tisku kovových součástek z metalických prášků, které umožnilo 3D tisku vymanit se ze spojení se stále méně populárními plasty. A konečně další zlom představuje použití 3D tisku pro robotické stavění budov. 

Vytištěný z betonu

Nedávno byl představen první český dům vytištěný z betonu. Kompaktní kapsle pojmenovaná Prvok však není tím posledním, co 3D tisk v oblasti budov může představit.  Technologie 3D tisku neustále posouvá své hranice. První kancelářská budova vyrobená pomocí 3D tiskárny vyrostla nedávno v centru Dubaje. 

3D tisk budov se prosazuje také v Číně. Tam bylo v poslední době zrealizováno několik převratných staveb. Vznikl tam například pětipodlažní bytový dům, nejvyšší stavba svého druhu na světě, nebo deset domků, které byly vyrobeny během rekordních 24 hodin. Pod těmito projekty je podepsána šanghajská společnost Win Sun, která se rovněž podílela i na dubajské kanceláři. 

Tyto stavby ale prozatím ukazují především na potenciál, který takzvaná aditivní výroba skrývá, slouží jako předváděcí modely. Pokud se ale 3D tisk ve stavebnictví osvědčí, bude to pro celý tento segment znamenat menší revoluci. 

Poloviční náklady

„Synonymem pro 3D tisk jsou vyšší efektivita, přesnost a úspora nákladů. Na stavbě kanceláře se díky metodě 3D tisku podařilo ušetřit přibližně 50 procent nákladů ve srovnání s obdobným typem stavby. Na tisk dohlížel jeden technik, dalších sedm pracovníků instalovalo stavební díly a tým deseti elektrikářů a specialistů se postaral o elektrotechnické práce. Podle dubajských představitelů může technika 3D tisku ve stavebnictví přinést o 50 až 80 procent nižší náklady na práci a mohla by zkrátit dobu výstavby až o 70 procent,“ popisuje Mariana Kellerová, mluvčí společnosti Siemens v České republice.  

Právě technologie Siemensu byla použita při řízení všech komponentů nové kancelářské budovy a integruje optimalizaci technické infrastruktury stavby, bezpečnostní monitorovací systémy, klimatizaci a další prvky.

Kancelářská budova v Dubaji byla vytištěna během 17 dnů s pomocí tiskárny dlouhé 36,6 metru, vysoké 6,1 metru a široké 12,2 metru. Samotný proces tisku mělo na starost velké robotické rameno. Jako stavební materiál posloužila speciální směs cementu, která byla testována ve Velké Británii a Číně. Stavba se rozkládá na ploše přibližně 250 metrů čtverečních. Dubaj má přitom s 3D tiskem budov velké plány. Zveřejnila strategii, podle které by do roku 2030 mělo být 25 procent všech dubajských budov založeno na technologii 3D tisku. 

„Chytré stavební výplně připomínají organický pórovitý materiál a mimo jiné využívají principu dvojí křivosti, která ideálně přenáší zatížení.“ Jan Podroužek, VUT Brno

Česko chce udávat směr

Oproti světovým průkopníkům však nechce Česko zůstat pozadu. Tým vědců z Technické univerzity v Liberci vyvíjí unikátní robotické rameno pro 3D tisk ve stavebnictví. Robotické zařízení bude schopné tisknout i rozsáhlé nebo vícepodlažní budovy. Testy přelomového zařízení již začaly a univerzita v současnosti usiluje o patentovou ochranu své technologie. Robot je navržen tak, aby tiskl přímo na staveništi, kam ho bude možné převézt bez použití robustní dopravní techniky.

„Navrhujeme mobilní robotické zařízení, které se přemisťuje po staveništi a postupně zvládne tisknout jak svislé, tak vodorovné konstrukce,“ říká Jiří Suchomel z Fakulty umění a architektury Technické univerzity v Liberci a upozorňuje tím na to, že ve světě užívané průmyslové roboty tisk stropů a střešních konstrukcí zatím nezvládají.

Zařízení pojmenované TestBed se testuje v Kloknerově ústavu ČVUT v Praze, protože v Liberci neměli k dispozici dostatečně velké prostory. „Kolegové se tam budou zabývat mimo jiné vývojem cementové směsi a vhodných konstrukcí pro tisk. Materiál je alfou a omegou tohoto tisku. Musí totiž tuhnout dostatečně rychle, aby se vrstvy nebortily, ale zároveň se spojovaly,“ říká za vědecký tým z liberecké fakulty mechatroniky Leoš Beran. V Kloknerově ústavu podrobují zkouškám celý TestBed včetně trysky, průběh tisku testují i mechanické vlastnosti částí vytištěných z různých typů směsí.

Na liberecké strojní fakultě nyní řeší mimo jiné i konstrukci tiskové hlavy, která bude sloužit pro vytlačování cementové směsi. „K úpravám na konstrukci tiskové hlavy dochází tím, jak se postupně seznamujeme s problematikou tiskových směsí – jejich tekutostí nebo rychlostí tuhnutí,“ říká Petr Zelený, vedoucí katedry výrobních systémů a automatizace Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci.

Robot na staveništi

Tisk na staveništi až do vzdálenosti 5,6 metru a výšky 3,2 metru bude zajišťovat otočné a posuvné robotické rameno. Zatím naši vědci vyvinuli model tohoto ramene v měřítku 1:4 a na něm si už ověřili, že rameno dokáže opsat jakoukoli křivku. 

„Architekti požadují, aby bylo možné tisknout stěny s prakticky libovolnou půdorysnou křivostí, která se může velmi rychle měnit. Včetně přerušování tisku a vzniku ostrých zlomů,“ upřesňuje Václav Záda z fakulty mechatroniky, jeden z hlavních autorů tiskového robota.

„Výhodou této konstrukce je, že když je potřeba na krátkou chvíli zastavit koncový efektor, například v bodě zlomu, mohou se ostatní články robota po tu krátkou dobu stále pohybovat. Tím se neztrácí kinetická energie ramene, která bude u velkého zařízení nezanedbatelná. Ostatní stroje toto neumějí,“ vysvětluje Václav Záda.

Ve stavebnictví by měl 3D tisk pomoci nejenom k úspoře nákladů, ale i snížení dopadů na životní prostředí. „Výroba cementu představuje velkou zátěž pro životní prostředí a navíc nám docházejí potřebné suroviny, jako jsou kamenivo a štěrky. My chceme stavět lehké tenkostěnné betonové a nekonvenčně vyztužené konstrukce, které spotřebu materiálu značně sníží,“ přibližuje Jiří Suchomel. Očekává, že podobný tisk přinese do architektury i větší rozmanitost.

„Tato technologie totiž umožňuje tisk komplikovaných tvarů a dokáže vyhovět i náročným a neobvyklým požadavkům,“ podotýká Jiří Suchomel. Tým chce navíc dosáhnout tiskové přesnosti dvou až tří milimetrů, která není ve stavebnictví běžná.

Díky 3D tisku se podle odborníků budou objekty sestavovat z jednotlivých částí jako velké lego. „Některé části konstrukce, zejména svislé stěny zvládneme vytisknout v konečném umístění. Vodorovné části vytiskneme na zemi a přeneseme na místo. Vše přímo na staveništi,“ plánuje Jiří Suchomel.

Podle něj bude ale zapotřebí vyřešit také otázku legislativy. Dodnes totiž neexistují stavební předpisy pro tištěné konstrukce.

Inspirováno přírodou 

Nástup technologie 3D tisku ve stavebnictví přitom může obor posunout ještě výrazně dál. Vědci z Vysokého učení technického (VUT) v Brně totiž testují použití tisku z organických materiálů, navíc s takovou strukturou, která napodobuje stavbu některých prvků z rostlinné či živočišné říše. Jejich pevnost, odolnost a další vlastnosti tak otestovala příroda během milionů let evoluce. 

Vzdušné organické tvary, které navrhuje tým Jana Podroužka z Fakulty stavební VUT, umožnují při nízké hmotnosti odolat vysokému zatížení, a to bez hrozby náhlého kolapsu budovy. Zhruba kilový válec z kukuřičného škrobu v testech odolal zatížení pěti tun, teprve pak se zdeformoval.

Chytré stavební struktury, jejichž statické, dynamické a izolační vlastnosti lze přizpůsobovat na míru, mohou mít lepší vlastnosti než klasické stavební výplně. Na první pohled přitom nepřipomínají cihly nebo konstrukce z betonu, vypadají spíše jako pórovité membrány z hodiny přírodopisu. 

„Všichni známe klasické stavební postupy, kdy vznikají převážně jednoduché pravoúhlé tvary tak, že se ukládá beton do připraveného bednění. S postupným nástupem 3D tisku ve stavebnictví nyní máme úžasnou možnost ovlivnit vnější tvar i vnitřní strukturu stavebního prvku tak, abychom získali mimořádně bezpečné a ekonomické stavby. Chytré stavební výplně připomínají organický pórovitý materiál a mimo jiné využívají principu dvojí křivosti, která ideálně přenáší zatížení,“ vysvětlil Jan Podroužek.

Jeho práce spočívá v matematickém návrhu a 3D tisku prostorových materiálů včetně experimentálního a numerického ověřování jejich vlastností. Dosud využíval pro 3D tisk biologicky rozložitelné termoplasty, které se získávají například z kukuřičného či bramborového škrobu. I tak byl ale schopen vytisknout pórovitý válec, který při rozměrech 20 centimetrů na výšku i na šířku a hmotnosti 1,2 kilogramu unesl zátěž pěti tun a až poté se začal postupným skládáním se do sebe deformovat. Výsledky výzkumu lze ale obecně uplatit i při tisku z cementových kompozitů nebo k životnímu prostředí šetrnější směsi bláta a rostlinných vláken.

Směr Mars

„Některé klasické stavební konstrukce se mohou nečekaně a rychle zřítit. Úpravou vnitřní výplně stavebních prvků se ale hrozbě náhlého kolapsu můžeme vyhnout a navíc získáme možnost sledovat historii nadměrného zatěžování. Pokud budeme hovořit o sloupu, tak výsledný prvek svým tvarem může připomínat část stromu s vnitřní strukturou podobnou kosti. Najít onen optimální, organicky vypadající vnější tvar je dnes poměrně běžné, existuje na to celá řada softwarových nástrojů. Hledání optimálních parametrů vnitřní struktury ale stále představuje otevřený mnohorozměrný problém, uvážíme-li řadu požadavků na statické, dynamické či izolační vlastnosti celku,“ dodal Jan Podroužek.

Výzkum chytrých stavebních struktur je ve světě poměrně unikátní. V podobném rozsahu jako v Brně na něm pracují už jen odborníci na americkém MIT. Podle Jana Podroužka je 3D tisk ve stavebnictví blízkou budoucností a lze ho uplatnit i ve vesmíru. Případná výstavba základen na Marsu či Měsíci se bez 3D tisku z místních zdrojů pravděpodobně neobejde.  

Převzato z časopisu Profit. Autor článku: Dalibor Dostál.