Automatizační firma vyvíjí 3D tiskárnu

Řada studií tvrdí, že efektivita stavebnictví ve srovnání s jinými odvětvími za posledních 70 let poklesla. Naše firma je tak jedna z mála, která se vydala opačným směrem, tedy ze strojírenství do stavebnictví, resp. automatizace. Výrobní firmy, zejména z oboru automotive, jsou zeštíhlováním výroby přímo posedlé a celý organismus just in time výroby automobilů a jeho dílů je postavený na úsporách desetin vteřiny na jednotlivém dílu. Na výrobě jednoho automobilu se podílí tisíce průmyslových robotů a další tisíce speciálních automatických strojů.

Právě zkušenosti se zvyšováním efektivity výroby pomocí digitálních technologií chce firma přinést do stavebnictví. I proto jsme se stali jedním za zakládajících členů nového Národního centra Stavebnictví 4.0, které vzniklo při CIIRC ČVUT a v současnosti propojuje více než 20 významných veřejných institucí (všechny stavební fakulty v ČR, ŘSD), stavebních organizací a firem, které se chtějí společně podílet na modernizaci tohoto oboru. Do té patří nejenom zvýšení efektivity, digitalizace, automatizace a robotizace, ale také zvýšení udržitelnosti a s ní spojená otázka, jak lze přispět ke snižování environmentální zátěže, která je pro nastupující generace velmi důležitá.

Možnost pracovat s 3D modelem stavebního prvku umožňuje dopravit stavební materiál na své místo s přesností na milimetry. Dá se říct, že 3D tisk je technologicky snazší než klasický stavební postup. Nevyžaduje použití bednění a díky možnostem organických struktur snižuje potřebu armování při zachování technologických vlastností.

Na druhou stranu je 3D tisk výrazně náročnější na vlastnosti použitého betonu z hlediska stejnorodosti reologických vlastností v čerstvém stavu – čerpatelnost v malých průřezech potrubí pro maximální zrno kameniva 8 mm, neměnná konzistence, řízená tixotropie, rychlost tuhnutí a tvrdnutí. V zatvrdlém stavu pak z hlediska eliminace smršťování a vzniku trhlin, dosažení požadovaných pevností a statických modulů pružnosti.

Pro vývoj funkčního celku je důležité propojení hned několika oborů – automatizace, robotizace, procesního řízení, designu prvků, architektury, stavební projekce, statiky a technologie betonu. Kromě vlastních zaměstnanců jsou do našeho vývoje zapojeni i externí odborníci z ČR a zahraničí. Spolupracujeme s globálními R&D týmy firem Sika, Master Builders a Mapei a co se technologie týká tak s vývojovými týmy rakouské firmy MAI a německé m‑tec mathis technik. Díky tomu, že jsme jedním z největších zákazníků ABB Robotics v České republice, komunikujeme s globálním vývojovým týmem ABB, ale i dalšími výrobci robotů. Na projektu v současnosti pracuje více než 30 specialistů.

Do vývoje jsou zapojeni odborníci na inovace ve stavebnictví i proto, aby společně hledali možnosti úspor energií při provozování staveb. I tady se inspirují přírodou – včelí plástve, vosí hnízda i mraveniště mají v různých variantách stěny s takovou strukturou, ve které je zateplení přímo integrováno. Při vytvoření těchto tvarů v nosných či nenosných stěnových systémech nebude potřeba aplikovat dodatečné izolační vrstvy. To významně ušetří materiál a řešení může být stejně funkční jako u klasických postupů. Zhotovení těchto tvarů je přitom pomocí 3D tisku snadno proveditelné.

Vedoucím architektonického týmu je architekt Jiří Vítek, který spolupracoval ve vídeňském studiu se Zahou Hadid a v současnosti vyučuje parametrický design na Katedře architektury VUT v Brně. „Co příroda tvořila miliony let, můžeme nyní využít,” věří Jiří Vítek. Jako příklad můžeme použít větve stromů, kosti zvířat, nebo např. lidskou lebku, která je dutá, přesto však díky své specifické struktuře pevnější než jednolité objekty. Spojuje v sobě tvarovou volnost a zároveň mechanickou odolnost.

Podobnými řešeními by se mohlo ušetřit množství použitého materiálu, což by mohlo být jednou z cest k dosažení úspor. Ve srovnání s běžnými stavebními technologiemi by podle některých odhadů a studií mohly úspory v případě 3D tisku dosáhnout výše 30 až 50 %. Ušetří se objem materiálu, práce lidí, zvýší se rychlost realizace a nabízí se možnost neomezené opakovatelnosti.

Klasičtí výrobci stavebních materiálů, např. Mapei, Sika a další, zatím zareagovali na poptávku po betonu pro 3D tisk rozšířením nabídky pytlovaných prefabrikovaných suchých směsí, tzv. jednokomponentních. Jejich cena je mnohonásobně vyšší než cena běžného betonu, a do budoucna tedy nekonkurenceschopná. Většina těchto směsí má navíc maximální velikost zrna kameniva 1 mm, což zvyšuje riziko vzniku smršťovacích trhlin a neumožňuje tisk vyšších vrstev. Tyto směsi se hodí pro tisk designových prvků a prvků městského mobiliáře (květináče, vázy, lavičky atd.), pro staveništní tisk nebo pro tisk nosných prefabrikovaných dílců však tyto směsi vhodné nejsou.

Proto ve spolupráci s týmem prof. Rudolfa Hely z Ústavu technologie stavebních hmot a dílců VUT v Brně vyvíjíme vlastní tzv. dvoukomponentní směsi pro různé tloušťky a výšky kladených vrstev při použití akcelerátorů tuhnutí či tvrdnutí, superplastifikátorů a příměsí zajišťujících rychlý tisk (250 až 400 mm/​​s). Podmínkou je udržení požadovaného tvaru a výšky plynule tištěné vrstvy až na výšku jednoho podlaží. Již nyní proběhly první úspěšné pokusy s tiskem z lokálně dostupných surovin se zrnem o velikosti 8 mm. Tyto směsi jsou modifikovány superplastifikátory a urychlovači přidávanými přímo v tiskové hlavě, jež jsou určeny speciálně pro 3D tisk. Současně vznikla úzká spolupráce s vývojáři firem Mapei, Sika, Master Builders a dalších.

Do budoucna spatřujeme veliký potenciál i ve využití umělé inteligence, která pomůže dosáhnout požadované kvality finální konstrukce stavby a sofistikovaného řízení rychlosti tisku.

Práce s materiálem velmi blízkým klasickému betonu se zrnem kameniva 8 mm je možná díky použití speciální tiskové hlavy. Naši konstruktéři vyvíjejí již její pátou vývojovou řadu. Každý typ hlavy slouží pro různá použití. Hlavu ovládají průmyslové řídicí systémy, které zároveň automaticky řídí i účinnou homogenizaci směsi a dávkování urychlovače. Cílem je dosáhnout dokonalosti tištěné stopy vzniklé při vysoké rychlosti tiskové hlavy. Součástí řešení je i systém snímání dat celého procesu. Pro řízení procesu jsou nejdůležitější údaje v čerpadle a před tiskovou hlavou. Zásadní je měření teploty směsi, tlak v potrubí, deformace vytištěné stopy ihned po tisku a pod zatížením další vrstvou. S vývojem tiskových hlav souvisí i úprava kontinuálních míchaček a čerpadel, které v současnosti nejsou pro tyto účely dokonalé. V této problematice spolupracujeme s předními evropskými výrobci, jako jsou MAI a m‑tec.

Abychom mohli odvážné návrhy realizovat, hledáme cesty, jak do procesu zapojit data-driven technologie. Organické objekty jsou náročné z hlediska přenosu dat a jejich stavba vyžaduje zapojení nejmodernějších digitálních řešení. Dosud stavěné klasické objekty byly z hlediska přenosu údajů poměrně jednoduché mimo jiné proto, že měly všude stejné úhly a opakující se prvky. Ve světě složitějších tvarů je však potřeba používat řezy a generovat množství dat řádově v terabytech. Takový objem by v minulosti v podstatě nebylo ani možné zpracovat.

O nově vyvíjené postupy zaznamenáváme ve Žďáru velký zájem ze strany technologických partnerů, výrobců materiálů, architektů a realizačních firem či developerů. Do centrály firmy se jezdí inspirovat nebo sdílet své know-how zástupci předních evropských dodavatelů silikátových směsí a přísad do betonu. Pro realizaci staveništního tisku budov jsme zaznamenali první skutečné poptávky nejen v České republice, ale také předběžné poptávky na projekty v Řecku, Španělsku nebo v Kanadě. První prototypy městského mobiliáře, či dokonce první vytištěnou budovu bychom však rádi věnovali městu Žďáru nad Sázavou, kde vše tvoříme.

Čekal jsem, že možnost být součástí vývoje této unikátní technologie bude pro lidi z oboru atraktivní, ale skutečnost má očekávání předčila. O náš vývoj se již nyní, po pár měsících, zajímají lidé z celého světa. Jsme otevřeni komerčním i výzkumným spolupracím a rádi se pobavíme s každým, kdo má zájem tyto technologie posunout vpřed. Již nyní pracujeme na návrzích poměrně velkých staveb, které bychom chtěli realizovat již v příštím roce. S výzkumem jsme se před okolním světem rozhodně neuzavřeli.

Věřím, že se celé stavebnictví v příštích desetiletích zcela promění. Nedostatek a vysoké ceny materiálů, jakož i nedostatek pracovních sil přiměje stavební firmy a investory automatizovat. Běžné stavební postupy se během příštích let zásadně změní a robotizace i 3D tisk budou k tomuto vývoji významně přispívat.