Rychlost, úspora materiálu, ekologie, a přitom rozmanitost tvarů - to si slibuje stavebnictví od technologie 3D tisku. Přesvědčeni o tom jsou i vědci z Technické univerzity v Liberci (TUL), kteří v současné době řeší komplexně v rámci čtyřletého projektu 3D STAR nové možnosti ve stavebnictví právě v souvislosti s touto moderní technologií, která se již uplatňuje v řadě odvětví, zatím spíše mimo stavebnictví. „Staví se pořád skoro stejně. Tisk 3D ale v sobě skrývá skvělé možnosti," tvrdí profesor Jiří Suchomel z Fakulty umění a architektury TUL. Projekt liberecké univerzity získal finanční prostředky z výzvy OP VVV Předaplikační výzkum ve výši 72,698 milionu korun, z toho příspěvek EU činí 61,794 milionu. Cílem výzvy je podpořit výzkumné záměry v předaplikační fázi, které mají potenciál přispět ke zvýšení kvality života a k řešení velkých společenských témat. Smyslem je také efektivněji využívat výsledky výzkumu v praxi a navázat spolupráci s aplikační sférou.
Snahy o praktické využití 3D tisku v oblasti stavebnictví a architektury mají již více než desetiletou historii. Průkopníkem v tomto směru byl Behrokh Khoshnevis, který v roce 2005 prezentoval na University of Southern California v Los Angeles svůj koncept nazvaný Contour Crafting. Jeho aditivní metodu, založenou na stavbě svislých konstrukcí postupným ukládáním vrstev betonu, aplikovaly v pozměněných podobách později i další subjekty.
„Existují experimentální stavby, často sestavené z prefabrikátů vytištěných ve výrobní hale a následně přepravených a smontovaných na staveništi. Ve světě jsou pro tento účel užívány dostupné průmyslové roboty, respektive kinematické struktury kartézského nebo cylindrického typu, neřešící tisk vodorovných částí stavby, tedy stropních a střešních konstrukcí. My chceme navrhnout unikátní mobilní robotické zařízení, které se přemisťuje po staveništi a postupně tiskne svislé i vodorovné konstrukce," uvádí profesor Suchomel, který pro svůj nápad získal i další vědce z Liberce i Prahy.
Komplexní zadání řeší lidé různých profesí - strojní, stavební a textilní inženýři, mechatronici a architekti
Vědci liberecké univerzity se zaměřují na komplexní vývoj 3D tiskového procesu bez nutnosti užití bednění a bez dopravy prefabrikátů na místo stavby. Zabývají se vývojem vlastního robotického zařízení (hardwarové i softwarové části) a principů navigace, umožňujících tisk aditivní metodou přímo na staveništi. Pracují také na vývoji vhodných tiskových betonových směsí, konstrukčních principů a logiky organizace tisku na stavbě. Cílem je metoda postupného tisku půdorysně rozsáhlejších vícepodlažních objektů přímo na místě, ale i možnost tisku malých budov pod provizorním zastřešením, pokud bude nutná ochrana robotu a tištěné stavby před nežádoucími klimatickými vlivy. Vzhledem ke komplexnosti zadání na něm pracují lidé různých profesí z oboru strojního, textilního a stavebního inženýrství, mechatroniky a architektury. Tento výzkumný úkol řeší společně vědecké týmy ze čtyř fakult liberecké univerzity: fakulty umění a architektury, strojní, textilní a fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií. Zapojil se i Kloknerův ústav na ČVUT Praha a Ústav teorie informace a automatizace AV ČR, v. v. i.. „Budeme spolupracovat s Kloknerovým ústavem na vývoji tiskového materiálu, tedy vhodných variant betonových směsí a na experimentálním ověřování tisku stavebních konstrukcí a jejich následným testováním na pokusném zařízení ‚TestBed'. Zatímco vývoj materiálu probíhá většinou v Praze, zařízení pro testování směsí a tvarů tištěných objektů - TestBed - včetně tiskové hlavy jsme zkonstruovali, sestavili a předběžně ověřovali v Liberci. V Praze pak na něm budou probíhat praktické experimenty s tiskem betonových konstrukcí. Pro nás je velkým přínosem, že můžeme využívat odborné kvalifikace, zkušeností a technické zázemí tohoto jedinečného pracoviště," říká vedoucí katedry výrobních systémů a automatizace Fakulty strojní TUL Petr Zelený.
V Liberci vyvíjejí vlastní robotické zařízení
V souladu se zamýšleným výsledkem se vědecký tým fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií zaměřil na vývoj vhodné konstrukce pro nanášení betonové směsi, případně jiného materiálu, v jednotlivých vrstvách. Jedná se o robotické zařízení, které je schopné ambulantním způsobem - tedy tiskem prováděným na místě pohyblivým robotem - realizovat stavební konstrukce. To odlišuje v Liberci vyvíjenou metodu od jiných obdobných postupů, kde jsou části budov tištěny stabilním zařízením ve vzdálené výrobně a vytištěné díly jsou následně převáženy na staveniště. „Rozhodli jsme se vyvinout vlastní zařízení, abychom měli možnost nezávisle vyvíjet TestBed bez nutnosti zásahu dalších dodavatelů. Předpokládáme, že na základě dalších připomínek technologů na úpravu zařízení vyladíme trajektorii pohybu tiskové hlavy s dávkováním materiálu a sledováním parametrů vytištěné části. Naše zařízení je navrženo robustně tak, aby vyhovělo podmínkám prašného a vlhkého prostředí. Pro TestBed jsme zvolili klasickou portálovou konstrukci stejně jako jiné projekty ve světě. Tato koncepce ale není vhodná pro ambulantní tisk, a proto vyvíjíme vlastní robotické rameno," říká za vědecký tým fakulty Leoš Beran (na snímku).
Robotické rameno už testuje řídicí algoritmy
Liberečtí vědci již dokončili robotické rameno v měřítku 1 : 4, na kterém probíhají testy řídicích algoritmů. „Architekti požadují, aby bylo možné tisknout stěny s prakticky libovolnou půdorysnou křivostí, která se může velmi rychle měnit, včetně vzniku ostrých zlomů a přerušování tisku," upřesňuje docent Václav Záda z FM TUL, jeden z autorů tiskového robotu s otočným, svisle posuvným a délkově proměnným ramenem (scara) s půdorysným dosahem cca 5,6 m. Výška tisku je uvažována zhruba do 3,2 m nad základní rovinu tisku v každé pozici robotu. Robot bude vybaven samohybným podvozkem a závěsem, umožňujícím jeho přemisťování pomocí autojeřábu. Navržená konstrukce se skládá z vertikálně posuvného členu, na který navazují tři rotační členy s vertikálními osami. Na konci posledního rotačního členu je uložen posuvný člen s vertikální osou posuvu, okolo které se může natáčet i koncový efektor - tisková hlava. První posuvná osa reprezentuje hrubé nastavení výšky hlavního polohovacího zařízení, poslední posuvná osa umožňuje vytištění několika vrstev beze změny první osy.
(Celý článek naleznete v příštím vydání Technického týdeníku)