3D tisk z betonu vyvíjený ve spolupráci Kloknerova ústavu a Liberecké Technické univerzity

Vědci z Českého vysokého učení v Praze a Technické univerzity v Liberci představili v létě v pražském Kloknerově ústavu ČVUT funkční zařízení pro 3D tisk z cementových směsí. Liberecká univerzita dodala do projektu tiskovou hlavu a testovací tiskové zařízení. Vyvíjí také robotické rameno, které ponese další generace tiskových hlav. Specialisté z laboratoře betonu Kloknerova ústavu pracují na vývoji cementových kompozitů ideálních pro tisk a poskytují cennou zpětnou vazbu pro úpravy 3D tiskárny – testbedu a tiskové hlavy.

Řešitelský týmJiří Kolísko, David Čítek, Oto Melter, Aleš Hvízdal, Karel Hurtig,
Michal Gabriel (Kloknerův ústav ČVUT v Praze)
Jiří Suchomel, Aleš Beran, Petr Zelený (Technická univerzita v Liberci)

V prostorách Kloknerova ústavu se pracuje na budoucnosti stavebnictví. Tou je robotická fabrikace, která svými možnostmi bezpochyby ovlivňuje směr stavebnictví a architektury. Využití průmyslových robotů se do nedávné doby omezovalo především na aplikace ve strojírenském a zpracovatelském průmyslu. S postupující vlnou automatizace a rozšířením principů Průmyslu 4.0 se však robotizace dostává i do oblastí, kde její uplatnění nebylo doposud běžné nebo účelné. Jedním z takových oborů je i stavebnictví.

Spolu s Technickou univerzitou v Liberci spolupracuje Kloknerův ústav ČVUT v Praze na projektu 3D STAR, který má za cíl zkoumat možnosti aditivní fabrikace a ukázat cestu, kterou by se mohla budoucí výstavba vydat. Hlavní úlohu zde mají experimentální oddělení a oddělení mechaniky. Tím, čím se odlišuje tisk provozovaný v laboratořích Kloknerova ústavu od běžného, je tiskový materiál a způsob jeho využití. Pro vývoj tisku z betonu jsou využívány zkušenosti z tisku na běžných 3D tiskárnách využívajících konvenční materiály (jako např. plast). Pracovníci experimentálního oddělení mají za úkol vyvinout směs cementového kompozitu (betonu) s ideálními vlastnostmi přímo pro aditivní formu tisku. Obor mechaniky přispívá svými zkušenostmi při navrhování tvaru výrobků, systému extruze a řízení tisku. Velmi důležitým vyvíjeným prvkem je v neposlední řadě i samotný optimalizační software, ve kterém je požadovaný objekt rozřezán“ po jednotlivých tiskových vrstvách a trajektorie tiskové hlavy generována tak, aby byl tisk pokud možno kon­tinuální a co nejefektivnější.

Vzhledem k posunu těžiště práce s automatizovanými systémy od tradičního navrhování a fyzických úkonů k programování pohybových drah se profese stavebního inženýra v těchto oblastech stavebnictví začíná překrývat s profesí programátora robotických systémů. Počítačem programované stroje tak nemají problém s jakýmkoliv tvarem, směšovacím poměrem směsi či přesností v rámci milimetrů, mililitrů a gramů. Exaktní měření nejen vstupních parametrů, ale i výstupu, tedy kontrola vytištěného objektu a zpětná vazba, výrazně rozšiřuje možnosti optimalizace řízení procesu v rámci celého tisku.

Tisk probíhá na plotrovém zařízení testbed vyvinutém pracovníky TU v Liberci (foto: Jiří Ryszawy (archiv ČVUT)) 

Tisk probíhá na plotrovém zařízení testbed kompletně vyvinutém pracovníky TU v Liberci. V současné době probíhají testy různých typů tiskových hlav v závislosti na typu tisknuté směsi, tvaru tisknutého objektu a rychlosti a způsobu tisku. U cementového kompozitu jsou v závislosti na technologické náročnosti a požadavcích na výsledné mechanicko-fyzikální parametry vytištěného objektu upravovány zejména konzistence, množství jednotlivých složek a vyztužení pomocí rozptýlené výztuže. Možnosti materiálu se ukazují velmi rozsáhlé. Od tisku betonu běžných pevností se dostáváme až k tisku s využitím ultra vysokohodnotných betonů.

Profese stavebního inženýra se začíná překrývat s profesí programátora robotických systémů (foto: Jiří Ryszawy (archiv ČVUT)) 

Vývojový proces si dává za úkol dosáhnout stavu, při kterém bude možné tisknout objekty s co nejmenším zásahem lidské činnosti, resp. zautomatizovat celý proces od míchání směsi až po vytištění požadovaného objektu, a to nejen v prostorách laboratoře.

Tištěné objekty či jejich části jsou zkoušeny v zatěžovacích strojích laboratoře a výsledky jsou podkladem pro výpočetní modely. Tyto modely jsou zpětně upravovány tak, aby vytištěný objekt splňoval nároky nejen estetické, ale i nároky na statiku. V současné době se např. pracuje na vytvoření lávky pro pěší, která bude zhotovena pomocí 3D tisku.

Závěr

Celý komplexní systém 3D tisku využívá všech zkušeností vědecko-výzkumných pracovníků z různých odvětví stavebnictví, kombinuje materiálové inženýrství, programování, strojírenství a architekturu.

3D tisk nezůstává v případě Kloknerova ústavu jen v laboratoři. V současnosti ústav spolupracuje v oblasti 3D aditivní fabrikace např. i se studiem Federico Díaz při tvorbě sochy v objektu Bořislavka.

Autoři
3/2021 Mosty | 10. 9. 2021 | Aktuality

100 let Kloknerova ústavu 

Kloknerův ústav patří bezesporu k jedněm z nejstarších vědecko-výzkumných pracovišť svého druhu v České republice a ve střední Evropě. V roce 2021 slaví své mimořádné jubileum, tedy 100leté výročí od svého založení.
3/2021 Mosty | 10. 9. 2021 | Aktuality

100 let Kloknerova ústavu 

Při příležitosti stého výročí založení Kloknerova ústavu v Praze vyšla publikace, která na 150 stranách mapuje historii, současnost i budoucí směřování této významné české vědecko-výzkumné instituce.
3/2021 Mosty | 10. 9. 2021 | Aktuality

Lávka Holka

V článku je představeno architektonické a konstrukční řešení nové lávky, jež spojí pražské městské části Holešovice a Karlín. Zároveň jsou uvedeny aktuální informace o vývoji stavby lávky.