3D tisk a jeho využití ve stavebnictví
Hlavními výhodami „3D stavitelství“ jsou rychlost (vývojáři odhadují, že kompletní dům by mohl být postaven za méně než 20 hodin), nízká cena a také energetická nenáročnost nové stavby, neboť zeď postavená z betonové směsi nebude potřebovat další tepelnou izolaci.
Technologie výroby trojrozměrných objektů formou tisku spočívá na principu lepení vhodného materiálu ve vrstvách, nanášeného tiskovou hlavicí. Proces je řízen počítačem na základě 3D modelu. Tato technologie si postupně prošlapává cestu v mnoha odvětvích od strojního průmyslu, přes medicínu až po gastronomii. Záleží jen na typu a velikosti tiskárny, nanášeného materiálu a řídicího softwaru. Zde Vás seznámíme se základními specifiky 3D tisku využívaného ve stavebnictví, především při navrhování budov.
K čemu lze 3D tisk ve stavebnictví použít
Navrhování architektury se v běžné praxi přeneslo do virtuálního prostředí. Ze základních skic architekta se v převážné většině případů přechází do virtuálního světa specializovaných programů (SketchUP, ArchiCAD, Revit, popř. 3DMax aj.), které pomohou rychle a ve všech úhlech a souvislostech zobrazit budovu a z tohoto virtuálního modelu jsou získávány finální výkresy. Zobrazení na monitoru ale není pro celkové vnímání prostoru dokonalé.
Vynechává se prvek dříve neodmyslitelně spjatý s návrhy budov – fyzický pracovní model pro různé varianty návrhu. Důvodem je především čas, potažmo finance, které je málokterý ateliér ochoten obětovat. Model, když už se tvoří, se tak používá hlavně k prezentaci výsledků. U komplikovanějších staveb je však pracovní model při návrhu nezbytnou pomůckou, ručně lepený je ale složitou akcí. 3D tisk tak umožní architektům vytvářet modely variant stavby levněji, navíc po čas vytváření modelu se mohou věnovat jiné práci. Virtuální svět je při tisku nezbytným krokem, pro důkladný výběr finální varianty je ale fyzický model nenahraditelný a díky 3D tisku dnes dosažitelný.
Obr. 1 – Příklad 3D tiskárny: krabice s rameny a tiskovou hlavou, dole deska která při vytištění jedné vrstvy klesne na úroveň vrstvy další (zdroj: www.omniacomercial.cz)
Obr. 2 – Tak nějak by mohla v budoucnu vypadat výstavba domů (zdroj: www.omniacomercial.cz)
Jak je pro architekty přínosné pracovat s modelem přibližuje pan Dipl. Ing. Walter Kurschatke – Arch. z ateliéru Omniatrading: „V návrhu náměstí uvažujeme o několika variantách řešení. Jak pro nás tak i pro pány radní je model daleko srozumitelnější než obrázky. 3D tisk se stal nejen pomůckou pro naši tvorbu, ale i doplňkovou činností našeho ateliéru.“
S převratným využitím technologie 3D tisku přišli vědci z Univerzity v jižní Kalifornii. Podle nich bude v budoucnu možné rychle, levně a kvalitně „vytisknout“ celé domy. Metoda nazvaná Contour Crafting by mohla být využita i pro budování základny na Měsíci.
Vrstvy materiálu, ve stavitelství se uvažuje o rychleschnoucím betonu vyztuženém o ocelová vlákna – jsou strojem, tedy bez účasti člověka, kladeny jedna na druhou do libovolných útvarů. V současnosti existující 3D tiskárny se speciálním vláknobetonem, který během stavby nepotřebuje podporu. Tým doktora Khoshnevise dokázal stavět kruhové zdi vysoké až 6 stop, podle vědců z Univerzity v jižní Kalifornii (USC) však vývoji strojů budujících dvoupatrové stavby nic nebrání.
Contour Crafting by podle profesora Behrokha Khosnevise mohl zásadně zlepšit životní podmínky miliardám lidí po celém světě. „V příštích desetiletích se naše planeta přelidní a nedostatek obydlí se stane obrovským problémem. Budeme potřebovat levné a úsporné domy, které lze navíc stavět rychleji než nyní,“ upřesnil Khosnevis.
Hlavními výhodami „3D stavitelství“ jsou rychlost (vývojáři odhadují, že kompletní dům by mohl být postaven za méně než 20 hodin), nízká cena a také energetická nenáročnost nové stavby, neboť zeď postavená z betonové směsi nebude potřebovat další tepelnou izolaci.
Technologie a materiálové varianty pro tisk modelů
Zůstaneme u dnes prosazující se praxe – modelů budov. Technologie máme v zásadě dvojí: plast nebo sádrový prášek.
„Každý materiál má svá pro i proti a u modelů je nutné zvážit, kterou variantu použít a podle toho také připravit model v počítači. Například u plastu musíme myslet na to, že ihned po nanesení není tuhý, ale do vychladnutí měkký a tenké vrstvy se mohou propadnout a kroutit. Je nutné připravit v počítačovém modelu podpory, od kterých se musí model následně ručně dočistit,“ tvrdí Ondřej Radoň, 3D operátor Ominacomercial.
Plast
Při tisku plastem stroj nanáší materiál z kartuše v podobě smotané struny pomocí tavící trysky a v tiskárně vidíme vznikat model. Ten se po vytištění ručně očistí od případných otřepů a podpor.
PLA je nejpoužívanějším materiálem pro plastový 3D tisk. Ve srovnání s ABS je snadněji a rychleji zpracovatelný, biologicky odbouratelný, protože ho tvoří kukuřičný škrob a kyselina mléčná. Je tedy přírodně nezávadný a při správném kompostování se rozloží do pár měsíců. Na rozdíl od ABS není PLA tolik náchylné k deformacím a vadám vlivem chladnutí vytištěného materiálu. Z materiálového hlediska jsou výrobky z PLA oproti ABS méně pružné a mají vyšší lesk.
ABS je termoplastický materiál stejný, jako se používá na výrobu stavebnice Lego. Jeho výhodou je tuhost, odolnost proti nízkým i vysokým teplotám a chemikáliím (kyseliny, uhlovodíky, oleje) a zdravotní nezávadnost. Díly z ABS je možné lepit rozpouštědlovými a polyakrylátovými lepidly.
Prášek (sádra)
Oproti tomu prášková technologie nanáší vrstvy na celou desku tiskárny a v těchto vrstvách vstřikuje lepidlo tam, kde má prášek držet pohromadě. Zbylý prášek je nutno odsát (a možno znovu použít) a po odsátí zbude slepený prášek tvořící sádrový model. Tyto modely jsou křehčí, nicméně nepotřebují tak důkladnou přípravu 3D modelu – nejsou nutné podpory. Podporou se stává prášek, který je po dobu tisku na místě a odsaje se až po dokončení procesu tisku.
Obr. 3–6 – Postup vzniku modelu: Nejprve je v modelářském programu vytvořena virtuální podoba stavby, ta se převede na specifika pro tisk. Tisková hlava tiskne model po tenkých vrstvách, Hotový model je někdy potřeba drobně začistit. (zdroj: www.omniacomercial.cz)Kam směřuje vývoj?
Obr. 7 – Svítidlo z tiskárny – designéři již nemusí čekat a domlouvat se s výrobci prototypů – vše si vytisknou sami u sebe v kanceláři během několika málo hodin
(zdroj: www.omniacomercial.cz)
3D tiskárny zažívají v současné době rychlý rozvoj a podobně jako u každé technologie se očekává v souvislosti s jejím rozšiřováním i snižování ceny a tím další zvýšení dostupnosti. Využití této technologie ve stavebnictví může urychlit práci nejen architektům. Designéři bytových doplňků si mohou ve stále větším měřítku svůj návrh z počítače ihned vytisknout, vyzkoušet a poté buď zahodit, předělat a nebo rovnou osadit v interiéru. Je možné tisknout konstrukční prvky nebo celé stavební díly, stěny, brzy i domy. Například vytvořit levně a rychle přesné kopie historicky cenných plastik není již dnes žádný problém s pomocí 3D scanů v kombinaci s 3D tiskem. Navíc takové plastiky lze přesně zmenšit, zpřístupnit tak veškerá historická díla například nevidomým. I pro architekturu a stavebnictví se s touto technolgií otevírají netušené možnosti.
Obr. 8 a 9 – Již dnes lze vytisknout téměř vše. A co přinese budoucnost? (zdroj: www.omniacomercial.cz)Zdroj:
www.omniatrading.cz, www.ominacommercial.cz, konzultace Ondřej Radoň
Počátkem dubna bylo bez použití jediného kousku cihel a dlaždic postaveno 10 domů, vytvořených metodou 3D tisku v Qingpu District v Šanghaji.
Čínská společnost Su-čou Jing-čchuang Science and Trade Development z východní provincie Ťiang-su použila skutečně obří tiskárnu, jako „inkoust“ byla použita směs pečlivě vybíraných materiálů jako písku, cementu, skleněných vláken atd.
Aby společnost ukázala, že jsou její domky skutečně reálně použitelné, použila je hned v Šanghaji jako nové kanceláře pro úředníky. Ale průlomová technologie 3D tištěných staveb má před běžnou výrobou ještě řadu testů, jako např. požární odolnost a trvanlivost říkají odborníci.