Realizace experimentálních tištěných konstrukcí

Lávka byla navržena, vyrobena a otestována v rámci výzkumu 3D tisku na Kloknerově ústavu. Jde o jednu z nejstarších realizací, na které je dlouhodobě sledována odolnost v exteriéru.

Konstrukce využívá statické tříkloubové schéma. Výhodou je možnost rozdělení konstrukce na menší části vhodné pro tisk a zároveň pro přepravu. Staticky se konstrukce chová jako určitá, což znamená, že napětí v konstrukci není ovlivněno teplotními vlivy. Reakcí na změny teploty na konstrukci je prodloužení nebo zkrácení jednotlivých částí, což má za následek vertikální posun středového kloubu při současném otáčení patních kloubů.

Architektonický tvar konstrukce je inspirován historickými litinovými konstrukcemi a odpovídá průběhu napětí v jednotlivých částech. Dalším z určujících pravidel bylo co nejplynulejší tvarování tiskové dráhy. Standartní výrobní metody převážně ústí v polygonální ostré tvary výrobku, který je možné jednoduše popsat a realizovat např. pomocí bednění. Pro 3D tisk jsou tyto tvary nevhodné, a naopak měkké přechody a rádiusy jsou cestou k plynulému pohybu tiskové hlavy a tím pádem rychlejšímu i přesnějšímu tisku. Na lávce byla tato myšlenka s úspěchem otestována jedním z možných konkrétních řešení, a to dráhou složenou převážně z kružnic.

Samotný tisk probíhal o rychlosti 120 mm/​​s, při tiskové stopě šířky 20 mm, výšce vrstvy 10 mm a trval přibližně 6 h pro obě poloviny lávky dohromady. Hmotnost tištěného oblouku je přibližně 1 400 kg. 

Kompletaci lávky pro ověření únosnosti předcházela výroba opěr s táhlem, na které byla lávka provizorně usazena na dvoře Kloknerova ústavu. Zatěžování až do úrovně 5,7 kN/​​m² probíhalo v cyklech po 350 kg s kontrolním měřením mezi cykly. Pomocí potenciometrů byly měřeny hodnoty na koncích tištěných prvků, ve čtvrtinách rozpětí a ve vrcholu.

Z měření je patrný postupný pokles vrcholu lávky o 2,5 mm. Pravděpodobně se jedná z větší části o příspěvek od dotlačení olověných desek v kloubech a od stoupající teploty v průběhu měření. Po započtení těchto vlivů se zbytek průhybu konstrukce při maximálním zatížení pohyboval na úrovni 0,8 mm.

Lávka byla osazena na výpusti malého soukromého rybníku, kde byla nespornou výhodou možnost umístit ji nad příčný práh výpusti, který tak nahradil spodní táhlo trojkloubové konstrukce. 

Práh i okolní terén byly fotogrammetricky zaměřeny. Výsledný 3D model byl poté použit k vytvoření podélného řezu lávkou a k návrhu jejího založení. Příčný práh výpusti byl prodloužen o betonový základ provázaný s původním prahem. Každá z opěr je dodatečně propojena s betonovým podkladním blokem třemi závitovými tyčemi. Tyče byly poté dotaženy pro zajištění zásoby tlaku ve spáře mezi opěrou a podkladním blokem betonu. 

Na základě laboratorních testů tiskového materiálu lze uvažovat velmi dobrou odolnost působení povětrnostních vlivů. U této lávky, kde je největším extrémům vystavena boční tisková stěna, bude zajímavé z dlouhodobého hlediska sledovat působení mrazu v rýhách mezi jednotlivými tiskovými vrstvami. Tato místa jsou obecně u tištěných objektů považovaná za riziková a může na nich docházet k poškozování v důsledku omývání vodou nebo kořenovou aktivitou usazené náletové vegetace. Lávka je dlouhodobě monitorována od svého vytištění a osazení do exteriéru v prosinci 2021 i následného přemístění na stálé místo u rybníka v Solopiscích, které proběhlo v říjnu 2023. Při vizuálních kontrolách nebyly doposud objeveny žádné výrazné trhliny, které nebyly způsobeny původním smrštěním směsi při tuhnutí po tisku, a povrch lávky se jeví v dobrém stavu bez znatelné degradace.

Nejnovější experimentální realizací je tištěná lavička pro Kutnou Horu, která byla zhotovena na půdě Kloknerova ústavu podle vítězného architektonického návrhu doktorandky Kateřiny Goryczky. Koncept architektonického návrhu zkoumá tvarosloví gotiky adaptované pro technologii 3D tisku, která poskytuje možnost provedení požadovaných tvarů bez extrémní finanční zátěže výroby složitého bednění pro výrobu jednoho kusu. V základu objemný prvek je díky skulptivnímu tvarování opticky odlehčen. Pracováno je i se strukturou povrchu. Odlišně pojednané plochy v hloubce nejmasivnější části rozbíjejí monolitický pocit masy a podporují tak celkový dynamický výraz.

Před realizací došlo k detailnímu dořešení všech tvarových přechodů a optimalizaci polygonové sítě pro plynulý průjezd dráhy tiskárnou, tak aby vstupními daty pro tiskárnu byla co nejrovnoměrnější síť bodů.

Tento projekt nám umožnil vyzkoušet si realizaci poměrně velkého prvku metodou ztraceného bednění. Tloušťka stěny byla v tomto případě opět 20 mm, avšak zvolená výška vrstvy byla pro dosažení většího detailu zvolena 5 mm, namísto standardních 10 mm. Objem samotného tištěného bednění je pouze 124 litrů, což se pozitivně projevilo na ušetření váhy a usnadnění manipulace s tištěnou částí při následných krocích výroby lavičky.

Pro zajištění spolehlivosti je vnitřní zálivka lavičky opatřena ocelovou betonářskou výztuží. V podélném směru jsou osazeny tři smyčky prutů o Ø 10 mm, které jsou v příčném směru provázány s pruty o Ø 6 mm ve tvaru C.

Zalití vnitřku bylo provedeno až s odstupem dvou týdnů – cementový tiskový kompozit prochází při tuhnutí větším smrštěním něž vnitřní betonová zálivka, a tak bylo vhodné vyplnit bednění až po jeho největším smrštění, aby nedošlo k jeho popraskání vlivem stažení kolem plného jádra. Díly bednění byly osazeny ocelovou výztuží a betonáž poté probíhala ve třech úrovních s technologickými přestávkami pro omezení hydrostatického tlaku na výtisk bednění.

Následná manipulace a začištění detailů včetně pemrlování odhalených ploch zálivky bylo provedeno už po třech dnech od betonáže vnitřní výplně. Čela i sedací plochy lavičky byly opatřeny hydrofobním nátěrem, strukturovaná stojina byla natřena ochrannou barvou a zbytek povrchu lavičky je bez dalších úprav. Bude tak zajímavé sledovat trvanlivost a změny různě ošetřených částí. Celková hmotnost lavičky přesáhla 600 kg, její tvarování ale dovoluje snadnou manipulaci pomocí popruhů obepnutých kolem zúženého středu a jeřábu.

Jako nově se rozvíjející technologie představuje 3D tisk řadu výzkumných výzev a prezentované objekty nabízejí možná řešení některých z nich. Jako každá nová technologie potřebuje naleznout své optimální tvarosloví, které bude vycházet z funkčních principů. Při navrhování 3D tištěné konstrukce je zásadní otázkou topologie. Od počátku je potřeba zohlednit limity zvolené technologie – velikost tiskové plochy, rychlost tuhnutí směsi a její správné složení. Rychlost tuhnutí použité betonové směsi musí být správně nastavena vzhledem k velikosti objektu a tiskové dráze. Správné naplánování tiskové dráhy je klíčové, protože plynulý pohyb tiskové hlavy usnadní celý proces tisku, což vede k menšímu počtu tiskových vad, a v důsledku k lepšímu výsledku. Tento princip byl demonstrován v případě obou objektů. V případě lávky výsledek nakonec zcela definoval vzniklý ornamentální design bez nutnosti konstrukci dále vyztužovat. V případě lavičky pak bylo pracováno s kombinací 3D tisku a běžných postupů vyztužení pomocí ocelových prutů.

Z výše uvedeného vyplývá, že estetika 3D tištěných konstrukcí je v podstatě neintuitivní; podoba je do značné míry určena použitou technologií a důslednou optimalizací celého procesu. Tradičně uváděné benefity, které použití 3D tisku ve stavebnictví přinášejí, jsou jednoduchá realizace lehkých, dutých, tenkostěnných a rozměrově složitých konstrukcí. Kromě toho není potřeba prakticky žádné bednění, snižují se nároky na ruční práci a při vhodné organizaci procesu tisku je možné i zkrácení doby výstavby. Realizací výše zmíněných objektů však vychází najevo, že jedním ze stěžejních problémů, které je potřeba vyřešit, je účinné a efektivní vyztužení konstrukcí. Odvrácenou stranou vyzdvihované tenkostěnnosti je nedostatečné krytí standardní oceli. Vzniká tak potřeba nalezení alternativních metod vyztužení jako např. kompozitní výztuž, která může být v budoucnu jedním z řešení těchto úskalí.