Projekt OP VVV: 3D tisk ve stavebnictví a architektuře

Projekt 3D tisk ve stavebnictví a architektuře

Realizátor:

Technická univerzita v Liberci

Doba realizace:

1. 3. 2018 – 28. 2. 2022

Projekt byl podpořen dotací ve výši 72 698 912 Kč, z toho příspěvek EU činí 61 794 075 Kč.

„Technologie 3D tisku nabízí možnost vcelku snadného generování tenkostěnných a tvarově komplikovaných konstrukcí, které ekonomicky využívají nosný materiál, omezují potřebu lidské pracovní síly a zmenšují dopady stavebního procesu na životní prostředí.“

Ing. Petr Zelený, Ph.D.
řešitel projektu, vedoucí Katedry výrobních systémů a automatizace na fakultě strojní

Bylo by možné projekt 3D tisk ve stavebnictví a architektuře ve zkratce představit?

3D STAR, jak se náš projekt ve zkratce nazývá, je úsilí čtyřicetičlenného týmu, složeného z pracovníků osmi ústavů a kateder čtyř fakult Technické univerzity v Liberci (dále také TUL) a Kloknerova ústavu ČVUT v Praze. Je zaměřen na mapování a řešení komplexní problematiky využití 3D tisku ve stavebnictví a architektuře, včetně vývoje unikátního robotického zařízení. Proto na něm pracují lidé nejrůznějších profesí z oboru strojního inženýrství, mechatroniky, textilního inženýrství, stavebního inženýrství a architektury.

Technická univerzita v Liberci na projektu spolupracuje s Kloknerovým ústavem ČVUT. Jak tato spolupráce probíhá? V čem je hlavní přínos této spolupráce?

Spolupráce TUL s Kloknerovým ústavem ČVUT v Praze se týká jednak vývoje tiskového materiálu, kdy hledáme vhodné varianty betonových směsí, jednak experimentálního ověřování tisku stavebních konstrukcí a jejich následného testování. To bude prováděno od příštího roku na pokusném zařízení „TestBed“. Zatímco vývoj materiálu probíhá většinou v Praze, zařízení „TestBed“ včetně tiskové hlavy je konstruován, sestavován a předběžně ověřován v Liberci. Následně bude rozebrán a přepraven do Prahy, kde bude uveden do provozu a kde také budou probíhat všechny praktické experimenty s tiskem betonových konstrukcí. Hlavním přínosem spolupráce je pro TUL možnost využití odborné kvalifikace, zkušeností a technického zázemí tohoto jedinečného pracoviště.

V čem vidíte unikátnost technologie 3D tisku pro stavebnictví a architekturu?

3D tisk je jedna z možných aditivních digitálních technologií, využitelných v oblasti stavebnictví a architektury. Tímto postupem je možno zpracovávat různé materiály a vyrábět různé části stavby. Naše úsilí je směřováno na 3D tisk nosných stavebních konstrukcí. Volba betonu jako výchozího materiálu pro tyto aplikace vychází z řady jeho pozitivních vlastností (mechanická odolnost, modifikovatelnost, nehořlavost, tepelně akumulační a zvukově izolační potenciál). Beton je ve stavebnictví a architektuře prokazatelně znám již bezmála 1900 let a vykazuje vysokou trvanlivost. Technologie 3D tisku nabízí možnost vcelku snadného generování tenkostěnných a tvarově komplikovaných konstrukcí, které ekonomicky využívají nosný materiál, omezují potřebu lidské pracovní síly a zmenšují dopady stavebního procesu na životní prostředí.

Jaké konkrétní využití 3D tisku ve stavebnictví a architektuře si můžeme představit? Jedná se spíše o realizaci menších částí či detailů staveb nebo by technologie měla umožňovat i větší konstrukce?

Námi vyvíjená technologie je perspektivně zaměřena na tisk budov a některých druhů inženýrských staveb. Metoda postupného tisku umožňuje rozdělit tištěnou konstrukci na části různé velikosti, odvozené z charakteru stavby a tištěné na staveništi. Některé z nich jsou tištěny přímo v definitivní pozici, jiné části jsou vytištěny jako staveništní prefabrikáty a následně usazeny do definitivní pozice. Velikost tištěných dílů je odvislá jak od stavebního řešení konkrétního objektu, tak od rozměrů robota. Po nezbytné optimalizaci robota, tiskového materiálu a logiky postupu tisku je možno očekávat výrazné zkrácení doby potřebné pro realizaci nosných konstrukcí v porovnání s tradičními postupy.

Můžete mi přiblížit, jak funguje robotické zařízení, které je schopné ambulantním způsobem realizovat stavební konstrukce? (Zaujalo mě v tomto kontextu slovo „ambulantní“.)

Slovem „ambulantní“ označujeme tisk prováděný pohyblivým robotem na místě. To odlišuje naši metodu od jiných obdobných postupů, kdy jsou části budovy tištěny stabilním zařízením ve vzdálené výrobně a vyžadují následný náročný transport vytištěných dílů na staveniště. Významnou vlastností naší metody je postupné provádění tisku. Námi vyvíjené robotické zařízení je relativně kompaktní a snadno přepravitelné. Na staveništi je pak umisťováno do série tiskových pozic, ve kterých tiskne vždy určitou část stavby. Může se buď samostatně, nebo pomocí jeřábu přemisťovat jak vodorovně, tak svisle. Postupný tisk teoreticky umožňuje realizaci libovolně půdorysně rozsáhlých a vysokých objektů. V praxi bude tento rozsah dán zejména konstrukčním řešením jednotlivých staveb. Na jedné stavbě je také možno použít paralelní tisk pomocí většího počtu navzájem koordinovaných robotů.

Jak dokáže technologie 3D tisku snížit dopad stavebních procesů na životní prostředí a omezit zdravotní rizika v procesu výstavby?

Technologie 3D tisku nabízí výrazné omezení až úplné vyloučení potřeby bednění pro realizaci betonových konstrukcí. Potenciálně tak odpadá výroba, transport, montáž a demontáž, údržba a finální likvidace bednění se všemi souvisejícími dopady na životní prostředí. 3D tisk umožňuje vhodným návrhem stavebních konstrukcí redukovat množství užitého betonu. Výrazně se zmenšuje i množství odpadu, vznikajícího při stavebním procesu. Klesá také počet pracovníků potřebných na stavbě a povaha jejich činností se přesouvá více do oblastí s menším zdravotním rizikem (ovládání a údržba robotického zařízení). Rostou ovšem nároky na jejich kvalifikaci. Zároveň roste i produktivita práce.

Dalo by se říct, jaké důležité změny již projekt přinesl? Čeho se již podařilo dosáhnout?

Projekt 3D STAR, který se v současnosti blíží polovině doby svého trvání, je charakteristický komplexním přístupem k celkové problematice. Jeho úvodní fáze byla věnována zjišťování vzájemných vztahů a zpětných vazeb mezi jednotlivými částmi řešení (tiskový materiál a možnosti jeho vyztužování při tisku, logika a logistika tiskového postupu, řešení tiskového robota s unikátním kinematickým uspořádáním, vývoj specifické tiskové hlavy, navigace robota na staveništi, stavebně konstrukční a architektonické řešení tištěných staveb, příprava vstupních podkladů pro tisk a další). V základní podobě bylo postaveno zařízení „TestBed“ a první funkční prototyp tiskové hlavy. Z této fáze vzešla řada zjištění, která budou v průběhu roku 2020 experimentálně ověřována při tisku na „TestBedu“ v Kloknerově ústavu ČVUT. Vzhledem k tematickému zaměření výzvy „Předaplikační výzkum“ OP VVV, v jejímž rámci pracujeme, je naše činnost zaměřena pouze na předaplikační fázi vývoje. Přesto očekáváme zásadní výstupy v závěru našeho projektu.

Je projekt obecně zaměřený spíše na české prostředí nebo předpokládáte uplatnění i na evropské či světové úrovni?

Technologie 3D tisku z betonu je v současné době prakticky ověřována na řadě experimentálních staveb v různých klimatických a ekonomických podmínkách po celém světě. Není žádný důvod pro její využití pouze v nějak geograficky vymezeném rozsahu. Úspěšnost našeho projektu v širším měřítku bude odviset od naší schopnosti rychle pokročit k finální realizaci vlastního zařízení a k tisku skutečných staveb.

Je něco, co byste chtěli k projektu dodat?

Náš počáteční pocit z omezení projektu pouze na předaplikační fázi řešení postupně opadl. Logika prací vede ke zjišťování řady navzájem souvisejících problémů a k hledání jejich řešení. To je občas složitý proces. Časově náročná je také administrativa spojená s nákupy materiálu a komponentů pro stavbu pokusných fyzických zařízení. Hlavně ale doufáme, že se nám podaří najít vhodné partnery a finanční zdroje pro realizaci finálního zařízení a s jeho pomocí pak i postavit skutečné tištěné domy.

Projekt Technické univerzity v Liberci získal finanční prostředky z výzvy Předaplikační výzkum. Cílem výzvy je podpořit výzkumné záměry v předaplikační fázi, které mají potenciál přispět ke zvýšení kvality života a k řešení velkých společenských témat. Smyslem výzvy je zvýšit potenciál pro využití výsledků výzkumu v praxi a následné navázání spolupráce s aplikační sférou.

Foto: Archiv projektu