Na základě spolupráce mezi firmami Podzimek & synové a Strojírny Podzimek, ústavem konstruování a částí strojů Fakulty strojní ČVUT a Fakulty stavební ČVUT vznikla unikátní portálová 3D tiskárna pro tisk nosných konstrukcí z betonu. Tiskárna, umístěná v sídle firmy Strojírny Podzimek v Třešti, je nyní ve zkušebním provozu. Cílem vývoje je přinést do oboru stavebnictví větší míru automatizace, omezit požadavky na pracovní sílu, zrychlit a zefektivnit výstavbu, ale také umožnit architektům realizovat z betonu nové tvary, které jsou konvenčními technologiemi obtížně dosažitelné.
Martin Podzimek, ředitel firem Podzimek a synové a Strojírny Podzimek, si uvědomuje rostoucí nedostatek pracovníků v oboru stavebnictví. Míra automatizace a robotizace je zde přitom velmi malá. To je příčinou nízké efektivity práce, ale také malé přitažlivosti stavebnictví pro mladou generaci. Když se syn Martina Podzimka v rámci své diplomové práce na Fakultě stavební ČVUT v Praze zabýval 3D tiskem ve stavebnictví, vznikl plán vlastními silami realizovat stroj, který by byl schopen tisknout betonové konstrukce podobně, jako menší 3D tiskárny tisknou díly z plastu nebo kovu. Spojení stavební a strojírenské firmy je pro tento záměr ideální.
Proč 3D tisk ve stavebnictví?
Co je cílem uplatnění 3D tisku ve stavebnictví? Zaprvé je to úspora materiálu. To je stejné jako u 3D tisku z jiných materiálů – tiskárna umožňuje nevyplňovat celý objem výrobku materiálem tam, kde to z technického hlediska není nutné. Zadruhé je to úspora času výstavby a počtu pracovníků. Pro architekty je výhodou větší svoboda tvarosloví – 3D tiskem je možné realizovat tvary, které jsou jinými technologiemi těžko zhotovitelné. Další výhodou je snadná replikovatelnost. Mají-li se vyrábět betonové součásti městského mobiliáře, je možné jednou vytvořeným programem tisknout např. jednu lavičku jako druhou. Rovněž je to atraktivita tištěných staveb pro investory i zákazníky. 3D tisk je něco nového, technologicky převratného a přitažlivého.
3D tisk má i své nevýhody. Jde o novou technologii, která musí používat speciální cementové směsi, jež nejsou levné. Prozatím neexistují standardizované postupy výpočtů statiky tištěných staveb, což způsobuje problémy při kolaudaci. Zrychluje se postup výstavby, ale naproti tomu je náročnější její příprava. A sice se šetří pracovní síla, ale rostou požadavky na její kvalifikaci.
Konstrukce portálové 3D tiskárny
Při různých experimentech s 3D tiskem betonu se obvykle používá robotické rameno, které na konci nese tiskovou hlavu nanášející tiskovou hmotu podél naprogramované dráhy (viz např. článek V Česku vzniká robotická farma na 3D tisk betonu, Automa 2021, č. 10, str. 19; https://automa.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/13708.pdf). Jenomže velikost tisknuté konstrukce je potom omezena dosahem robotu. Roboty jsou navíc většinou určené do prostředí továrních hal, nikoliv do venkovního prostředí. Tisknout tedy stavbu přímo na místě je problematické, spíše je nutné vytisknuté díly dovézt na staveniště a zde je umístit a spojit dohromady.
Vývojový tým firmy Podzimek proto zvolil jiné řešení: portálovou tiskárnu, která nese tiskovou hlavu na svém příčníku. Jde o obdobu malých stolních tiskáren, jen rozměry jsou značně větší: pracovní prostor tiskárny firmy Podzimek má výšku 5,5 m, šířku 7,5 m a délku 15 m (obr. 2; https://www.podzimek3d.cz/). Tvůrci tiskárny uvádějí, že jde o největší 3D tiskárnu v Evropě.
Technologie 3D tisku betonu
Při 3D tisku betonu je třeba překonat množství problémů spojených nejen s konstrukcí samotného stroje, ale také se zpracováním tiskové hmoty a regulací jejích vlastností. To byl jeden z důvodů, proč na to obě zúčastněné firmy, Podzimek a synové a Strojírny Podzimek, nechtěly zůstat samy a k projektu přizvaly odborníky z Fakulty stavební a Fakulty strojní ČVUT v Praze. Pracovníci ústavu konstruování a částí strojů Fakulty strojní navrhli kompletní konstrukční část 3D tiskárny včetně systému dopravy tiskové směsi k tiskové hlavě hadicí dlouhou až 40 m, zatímco pracovníci Fakulty stavební vyvíjejí vhodnou směs, která by tisk umožnila (obr. 3).
Návrh vhodné tiskové směsi je pro tiskárnu klíčový. Výzkumníci brzy zjistili, že musí použít velmi jemnozrnnou směs. V podstatě se tak netiskne beton, ale cementová malta.
Navíc to není obyčejná cementová malta. Komplex vlastností, které musí hmota mít, pojmenovali výzkumníci „tisknutelnost“. V principu jde o to, že hmota, kterou tryska tiskárny nanáší, musí být „hladká“, aby bylo možné nanést kontinuální vrstvu směsi, a současně musí rychle tuhnout, aby během objetí celého tvaru stihla ztvrdnout nakolik, aby unesla další vrstvu. Nesmí ale tuhnout příliš rychle, aby nezatuhla už v hlavici a aby měli pracovníci čas hlavici vyčistit při přerušení činnosti stroje. Nesmí se rozmývat a nesmí vlivem hydratačního tepla praskat. To jsou často protichůdné vlastnosti a „vyladit“ směs tak, aby byla vhodná k tisku, není jednoduché.
Princip činnosti tiskárny vysvětluje Marek Štádler z Fakulty strojní ČVUT: „Do stroje se sype suchá směs – zatím z pytlů, časem přibude malé zásobní silo. Směs se promíchá s předem stanoveným množstvím záměsové vody, aby bylo možné ji dopravit hadicí dlouhou 40 m do vyrovnávacího zásobníku. Dopravu usnadňují vhodné plastifikátory. Těsně před tiskovou hlavou se do směsi přidává urychlovač. Pro dopravu z násypky do vyrovnávacího zásobníku i z vyrovnávacího zásobníku do tiskové hlavy se používají vřetenová čerpadla. Je to proto, že se jimi lépe dosahuje požadovaného malého průtoku.“
Problematičtější pro tiskárnu je tisk malých dílů. „Musíme regulovat průtok tryskou a rychlost pohybu hlavy, abychom dosáhli požadované tloušťky vrstvy, ale současně nesmíme jet moc rychle, aby předchozí vrstva stihla zatuhnout. Proto se malé díly musí tisknout pomaleji než ty velké.“ Výzkumníci zjistili, že optimální průřez jedné vrstvy je 20 × 50 mm (obr. 5).
Další komplikací je skutečnost, že rychlost tuhnutí závisí na teplotě. V horkých dnech se tuhnoucí beton pomaleji ochlazuje, voda se hydratačním teplem více odpařuje a materiál je náchylnější k praskání. Ačkoliv jde většinou o povrchové praskliny, nejsou žádoucí ani z hlediska trvanlivosti, ani vzhledově. V materiálu navíc zůstává nežádoucí pnutí.
Častým dotazem je, jaké je pevnost spojení mezi jednotlivými vrstvami. Testy prokázaly, že mezi vrstvami vzniká dobrá krystalická provázanost a k oddělování vrstev nedochází. Větší obavy mají výzkumníci z vnitřního pnutí vzniklého rychlým tuhnutím.
Přesto výsledný vytištěný beton dosahuje po 28 dnech zrání pevnosti 30 MPa.
Tiskárna umožňuje do konstrukce zatiskávat např. sítě, technologické výztuže nebo překlady. Například na obr. 3 je vidět zatištěný překlad nad oknem. Je možné tisknout i šikmé tvary. Vyzkoušeno je přesazení mezi vrstvami o 3 mm při zkušebním tisku modelu přehradní hráze, ale tam, kde bude převažovat zatížení tlakem, např. u kopulovitých staveb, může být přesazení i větší.
Konstrukce a řízení portálové tiskárny
Portál tiskárny pojíždí po kolejnicích. To je první, podélná osa. Samotný portál potom zajišťuje pohyb ve dvou osách, svisle a příčně. Kinematicky tedy jde o stejný mechanismus jako např. u portálové frézky. Firma V-tom Engineering (https://www.v-tom.cz/), která měla na starost dodávku pohonů, elektroinstalace a řídicího systému, proto mohla pro řízení stroje zvolit systém Sinumerik 840D. Výhodu této volby vysvětluje Martin Podzimek: „Každý absolvent průmyslovky, který umí programovat obráběcí stroj v G-kódech, umí programovat i tuto portálovou 3D tiskárnu.“ Jediný rozdíl je v S-funkci: u frézky se jí nastavují otáčky vřetena, zde je to rychlost podávacího čerpadla u tiskové hlavy. „První čerpadlo je řízeno ve dvoustavovém režimu snímačem polohy hladiny ve vyrovnávací nádrži. Teprve druhé čerpadlo má plynule regulované otáčky, abychom v kombinaci s rychlostí pohybu dosáhli optimálního průřezu vrstvy,“ vysvětluje Václav Růžička z oddělení projekce společnosti V-tom Engineering. Přesto i návrh prvního čerpadla byl technickým oříškem: musí totiž dopravit směs hadicí o délce 40 m. Jen zkouškám a odlaďování tohoto čerpadla a takového složení směsi, aby ji bylo možné tak dlouhou hadicí dopravovat na místo, se výzkumníci věnovali půl roku.
V budoucnu by zde mohlo být i konstrukčně jednodušší pístové čerpadlo, protože kolísání tlaku neovlivňuje průtok tiskovou hlavicí – ten je řízen až druhým čerpadlem za vyrovnávací nádrží.
Pohony portálové tiskárny jsou řízeny zpětnou vazbou ze snímačů v motorech. Protože zařízení má relativně malou tuhost, používá se ještě přímé odměřování pomocí hřebínku a inkrementálního snímače, které slouží ke zpřesnění regulace polohy.
Václav Růžička podotýká, že tato 3D tiskárna byla pro firmu V-tom Engineering v jistém ohledu premiérou. „Máme za sebou hodně projektů výrobních strojů, ale toto je první, který je určený do venkovního prostředí.“ To s sebou nese mnohá specifika, jak pro konstrukci rozváděče, který musí mít kromě chlazení i topení, tak pro výběr dalších komponent. Například kabely musí být odolné proti dlouhodobému působení slunečního záření. Urychlovače tuhnutí betonu mají navíc korozivní vlastnosti, což je třeba respektovat při výběru dávkovacího ventilu a čerpadla.
Zařízení může pracovat v rozsahu teplot od +5 do +30 °C. Nevadí mu vítr ani lehký déšť. Hmota je odolná proti rozmývání, a je-li déšť prudší a na povrchu vrstvy vzniknou důlky, překryje je následující vrstva. Vzhledem k rozměrům kovové konstrukce není bezpečné na stroji pracovat za bouřky, ale jinak byl požadavek, aby tiskárna mohla pracovat ve venkovním prostředí v různém počasí, a to nejen v našich klimatických podmínkách, splněn.
Konstrukce je opatřena dělicími místy s mechanickými a elektrickými rozhraními, takže ji lze snadno rozebrat, převézt na místo stavby a znovu složit a zprovoznit.
Řídicím systémem je Sinumerik 840D (obr. 6). Jako HMI funguje ovládací panel HT8 (obr. 7). K programování tiskárny se tedy používají stejné softwarové nástroje jako k programování obráběcího stroje. Tiskárnu budou obsluhovat jen dva lidé: první se bude starat o přípravu směsi a druhý bude dohlížet na tisk.
Další vývoj
Cílem je plně automatizovat i proces přípravy výroby, aby se podle výkresu samočinně vygeneroval program dráhy tiskové hlavy, který se přenese do stroje, a spustil se tisk. K tomu je ale ještě dlouhá cesta. Adam Koncer, vedoucí technické podpory pro obráběcí stroje firmy Siemens, prozrazuje, že se tiskárna zatím programuje manuálně, ale uvažuje se o využití modulu aditivní výroby v systému CAD/CAM NX od firmy Siemens. Ten by programování velmi urychlil a usnadnil. V budoucnu vznikne i digitální dvojče stroje, které zjednoduší jeho údržbu a optimalizaci provozu.
Současně s prací na technickém zdokonalování stroje a jeho řízení je třeba také celý koncept 3D tisku z betonu horlivě propagovat tak, aby o něm věděli a požadovali ho architekti, investoři i zákazníci. Jedním z problémů v současné době je vysoká cena používané betonové směsi, která se však sníží při přechodu na její velkovýrobu. Přesto, jak říká Martin Podzimek, rozhodující výhodou nikdy nebude nízká cena používané cementové směsi, ale úspora lidské práce.
Je rovněž třeba pracovat na standardech výpočtů pro tištěné stavby, aby se statici měli o co opřít. Bez toho je kolaudace tištěných staveb problematická.
Kromě statiky bude třeba studovat a optimalizovat také tepelněizolační a další vlastnosti tištěných konstrukcí. Vývojáři chtějí dále experimentovat se zvětšováním zrnitosti směsi nebo rozptýlenou vláknitou výztuží.
Podle Martina Podzimka určitě nebudou všechny nové stavby vyráběny 3D tiskem. Velké příležitosti vidí zejména u opakovaných staveb: nejen obytných řadových domků, ale i různých účelových staveb. Zanedbatelná není ani větší volnost při navrhování tištěných tvarů, která může ovlivnit moderní architekturu. 3D tisk z betonu je první krok ke zvyšování efektivity stavebnictví prostřednictvím moderní automatizace.
Petr Bartošík
(Foto: Siemens, schéma: Strojírny Podzimek)
Firma Podzimek a synové je stavební firma se 125letou tradicí. Založil ji městský stavitel a přísežný odhadce Josef Podzimek roku 1896. Brzy firmu rozšířil o parní cihelnu a postupně také o strojírenskou činnost – nynější Strojírny Podzimek.
Firma přestála mnohá historická úskalí a zvraty, přežila dvě světové války, ničivý požár i budování socialismu. V roce 1993 byla restituována ve prospěch Ing. Josefa Podzimka. Stavební firma se vrátila k názvu Podzimek a synové a navázala na tradici stavební činnosti. V jejím čele nyní stojí již pátá generace rodiny. Oblastmi působení jsou především Kraj Vysočina a hlavní město Praha. Stěžejní náplní stavební výroby jsou rekonstrukce historických objektů, individuální výstavba a průmyslové stavby, stejně tak i spolupráce na rozsáhlejších developerských a investičních projektech.
Sesterská firma Strojírny Podzimek navrhuje a vyrábí zařízení pro kamenoprůmysl a vodní hospodářství, např. pásové dopravníky a podavače nebo konstrukce pro vodní uzávěry, klapky či vrata plavebních komor a jezů.
Obr. 1. Ing. Martin Podzimek, jednatel společností Podzimek a synové a Strojírny Podzimek, představuje unikátní portálovou 3D tiskárnu betonu
Obr. 2. Schéma 3D tiskárny betonu vyvinuté za spolupráce firem Podzimek & synové a Strojírny Podzimek, ústavem konstruování a částí strojů Fakulty strojní ČVUT a Fakulty stavební ČVUT (zdroj: www.podzimek3d.cz)
Obr. 3. Příklad vytištěného objektu – nosná konstrukce domku, na niž stačí umístit krov s lehkou střešní krytinou
Obr. 4. Detail tiskové hlavy
Obr. 5. Optimální průřez vrstev betonu je 20 × 50 mm
Obr. 6. Pohled do rozváděče, který realizovala firma V-tom Engineering
Obr. 7. Ovládací panel Sinumerik HT8