První česká portálová 3D tiskárna

Současným trendem v technologickém vývoji v mnoha oborech je využívání 3D tisku jako pomocníka pro vytváření různých modelů a výrobků, kterých jinými postupy lze dosáhnout velmi komplikovaně a draze, v některých případech je dokonce 3D tisk jedinou možností výroby. Lékaři si tisknou modely orgánů jako pomůcku před operacemi, letecký průmysl 3D tiskem odlehčuje letadla, strojní průmysl díky 3D tisku získává obrovské možnosti výroby prototypů. Bylo tak jen otázkou času, kdy 3D tisk pronikne i do stavebnictví.

Hlavními přednostmi 3D tisku jsou:

Cílem našeho projektu byl nejen vývoj 3D tiskárny, ale také zvládnutí problematiky zpracování a řízení vlastností tiskové hmoty.

Pracovníci Ústavu konstruování a částí strojů Fakulty strojní ČVUT navrhli kompletní konstrukční část 3D tiskárny včetně technologie dopravy tiskové směsi k trysce a zajišťovali řízení prvních tisků a přípravu vstupních dat. Součástí projektu byl také návrh testovací tiskárny. Ta byla vyvinuta pro prvotní experimenty s tiskovou hmotou, resp. k vývoji speciální hmoty vhodné pro 3D tisk, kterou si vzali na starost odborníci z Experimentálního centra Fakulty stavební ČVUT. Pro dopravu hmoty bylo zvoleno vřetenové čerpadlo kvůli efektivnější regulaci toku materiálu. Klasická pístová čerpadla jsou sice výkonnější, ale obtížně se u nich dosahuje nižšího průtoku.

Na modelové 3D tiskárně byly testovány nejrůznější varianty složení směsi dříve testované v laboratoři. Prvním krokem bylo odladění granulometrie směsi, která by vyhovovala zvolenému typu čerpadla. Oproti původnímu předpokladu musela být hmota výrazně jemnozrnnější. Tento aspekt pochopitelně není z pohledu betonáře optimální, ovšem odstranil minimálně jednu nepříjemnou vlastnost 3D tištěných struktur – zvýšenou pórovitost mezi navazujícími vrstvami. Při použití hrubšího písku dochází po extruzi hmoty k umocnění tzv. stěnového efektu, kdy mezi jednotlivými vrstvami zůstává tenký film pojiva, který zhoršuje tisknutelnost a zároveň má odlišné mechanické vlastnosti [1]. Navrženou směs pro 3D tisky tedy nelze chápat jako tradiční beton, ale spíše jako jemnozrnnou cementovou maltu.

Principiálním aspektem byla „tisknutelnost“, kterou nelze postihnout žádnou ze standardně používaných zkoušek. V této fázi projektu byly tisknuty rozměrnější prvky, na nichž byla především vizuálně sledována kvalita tisku, ale i schopnost hmoty „unést“ další vrstvy. Byly přitom rovněž monitorovány tlaky v hadicích, objemové toky hmoty apod. jakožto podklady pro návrh dílčích částí 3D tiskárny. Výsledná směs byla koncipována jako suchá prefabrikovaná směs. Nedílnou součástí byl i vývoj robustního regulačního systému vytvrzování, který je klíčovým prvkem v úspěšném 3D tisku. Před pilotními pokusy na velké tiskárně bylo navrženo několik variant řešení regulace tuhnutí a tvrdnutí směsi zahrnující jednak volitelnou kinetiku vlastní suché směsi, ale i dodatečně přidávaného urychlovače v tiskové hlavě. Regulace tuhnutí směsi tedy měla zohledňovat rychlost tisku z pohledu únosnosti jednotlivých vrstev, ale zároveň poskytovat obsluze dostatečný čas na vyčištění systému v případě přerušení tisku. Na základě získaných poznatků z modelových tisků byl dokončen návrh velké tiskárny a její sestavení.

Pro finální konstrukci tiskárny byla zvolena koncepce portálového jeřábu pojíždějícího po kolejnicích. Na rozdíl od obdobných projektů tato tiskárna nevyužívá pro tisk robotickou ruku, ale v portálu tiskárny se vertikálně pohybuje příčník, po kterém pojíždí vlastní tisková hlava. Pracovní prostor tiskárny má půdorys 15 × 7,5 m a výšku 5,5 m.

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 stačí projekt předem připravený v počítači, který tvoří základ každého tisku. Pro následnou obsluhu tiskárny jsou zapotřebí dva lidé – jeden se stará o přípravu směsi a druhý řídí a kontroluje průběh tisku. Tiskárna je mobilní, umožňuje tedy tisknout budovu přímo na místě, kde trvale zůstane. A dále je jako jedna z mála na světě schopná pracovat ve venkovním prostředí bez ochranné stavby.

Po dokončení stroje probíhaly další úpravy jak na tiskárně, tak i na navržené směsi, neboť celou řadu aspektů nebylo možné na malé modelové tiskárně objektivně vyzkoušet. Především se jednalo o dopravu směsi. Jelikož tiskárna umožňuje tisk opravdu rozměrného objektu, je i dopravní cesta od kontinuálního míchače a čerpadla k tiskové hlavě cca 45 m dlouhá, což je výrazná technologická komplikace, která vyžadovala úpravu směsi i konstrukční úpravy na tiskové hlavě. Následně byly obdobně jako na modelové tiskárně realizovány jednoduché prvky pro vyladění pohybů stroje a nastavení parametrů v řídicím G‑kódu, které zohledňovaly dynamické vlastnosti stroje. Význam synchronizace všech součástí je dobře patrný na následujících obr.

Po zvládnutí tisku základních a geometricky jednodušších prvků bylo přistoupeno k pokusným tiskům stěnových prvků s klenutým profilem. Postupně byly tištěny jednotlivé vrstvy, ovšem každá další byla nepatrně posunuta mimo osu té předcházející. Na základě výsledků testů a díky schopnosti směsi vydržet mimoosé ukládání jednotlivých vrstev byl pracovníky strojní fakulty vytvořen G‑kód pro tisk klenutého prvku. Aby se snížilo riziko zhroucení prvku a nežádoucí deformace při tisku, byly mezi jednotlivé vrstvy vkládány výztužné prvky pro fixaci ke svislé vrstvě. Tímto způsobem bylo potvrzeno, že tiskárna je schopna tisknout i konvexní či konkávní tvary.

U každého tisku byly monitorovány okolní podmínky, zejména vlhkost a teplota, které mají vliv na průběh 3D tisku. Jelikož cílem byl tisk poměrně rozsáhlých prvků, byla kvůli bezpečnosti provozu 3D tiskárny vybrána směs s pomalejším náběhem tuhnutí, což obsluze tiskárny poskytuje dostatečnou časovou rezervu na případné vyčištění stroje při přerušení tisku nebo poruše. V případě směsi s rychlejším náběhem by reálně hrozilo při neřízeném zastavení tisku tuhnutí směsi již v útrobách stroje. Pro zvolenou směs je však riziková rychlá ztráta vody, která by vedla ke smršťovacím trhlinám. Při sérii pokusných tisků bylo potvrzeno, že lze kontinuálně tisknout při teplotě od 8 do 26 °C. Změny teploty lze regulovat dávkováním urychlovače do tiskové hlavy nebo změnou rychlosti tisku. Zároveň bylo při četných zkouškách ověřeno, že kompaktní charakter vytištěné směsi umožňuje tisk i za deště s intenzitou do 4 mm/​​h, který však netrvá déle než 45 min. Po delší době již docházelo k rozplavování směsi a deformacím, které vedly ke zhroucení prvku.

Hlavním cílem poslední fáze projektu bylo vytištění nosné konstrukce modelového rodinného domu. Nejprve byla navržena geometrie domu, která byla následně digitalizována a konvertována do řídicího systému 3D tiskárny. 

Strojírnami Podzimek byl vyroben ocelový rošt, na který se vytiskl modelový objekt. Uvedený rošt zajišťuje dostatečnou tuhost podkladu a nepřímo i mobilitu výsledného objektu. V průběhu tisku hrubé stavby modelového objektu byly vytištěny i okenní a dveřní překlady. Pro jejich výrobu byla použita totožná směs; na první vrstvu byla umístěna svařovaná sít, která byla vzápětí do prvku „zatištěna“. Část překladů byla laboratorně vyzkoušena pro ověření únosnosti v ohybu a smyku dle ČSN EN 846 – 9 ed. 2 [2].

Další průběh tisku modelového domu je dokumentován na následujících obr. V průběhu tisku docházelo k pravidelným technologickým pauzám využitým pro kontrolu tiskové hlavy a kropení vytištěných prvků. Během těchto přestávek nebylo nutné čistit dopravní cesty.

Pro osazení okenních a dveřních překladů byly v nadpraží vytištěny ozuby, do nichž byly překlady osazeny a po jejich usazení došlo k jejich následnému „zatištění“ do nosné konstrukce objektu. Příprava pro osazení okenních překladů je patrná z následujícího obr., kde je zároveň již vidět zabudovaný dveřní překlad.

Pomocí 3D tisku bylo v nadpraží z hmoty vytvořeno „ztracené bednění“, do kterého byl vložen armokoš a které bylo následně vyplněno 3D hmotou. Takto vzniklý věnec zvýšil tuhost a stabilitu objektu a umožnil bezpečné osazení lehké dřevěné střechy s keramickou střešní krytinou. Výsledná hmota vyvinutá pro tuto tiskárnu vykazovala po 28 dnech pevnost v tlaku cca 45 MPa a součinitel mrazuvzdornosti vyšší než 1,0 [3]. Na základě mechanických zkoušek modelových stěnových segmentů bylo zjištěno, že únosnost stěn je srovnatelná s konvenčními řešeními.

Bylo potvrzeno, že vyvinutá 3D tiskárna je plně funkční a umožňuje efektivní výrobu nosné konstrukce rodinného domu dle prostorových limitů, které jsou dány velikostí pojezdové dráhy. Vlastní nosná konstrukce vytištěného objektu vykazuje parametry srovnatelné s parametry objektů z jiných v ČR používaných materiálů a umožňuje osazení i dalších navazujících konstrukcí (střecha, kompletační konstrukce apod.). Uvedené zařízení je navíc schopno efektivně tisknout funkční a přesné stavební překlady zvolených dimenzí a tvarů, jejichž únosnost je srovnatelná s běžně používanými stavebními prvky.

Na otázku, proč se strojírenská a stavební firma Podzimek pustila do vývoje 3D tisku budov, odpovídá její ředitel Martin Podzimek: „Vývoj naznačuje, že na trhu práce 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.“

Vývoj této tiskárny i hmoty pro tisk nadále pokračuje. Vlastní výzvou pro celou odbornou komunitu však bude i zvládnutí legislativního rámce technologie 3D tisku budov.