Experimentální vývoj 3D tisku cementových kompozitů

V rámci aktuálně běžícího grantového projektu 3D-STAR, iniciovaného pracovníky Fakulty umění a architektury TUL pod vedením profesora Ing. arch. akad. arch. Jiřího Suchomela ve spojení s Kloknerovým ústavem, ČVUT v Praze, probíhá komplexní vývoj technologie 3D tisku.

3D tisk cementových kompozitů otevírá možnost optimalizace tvaru prvku z hlediska minimalizace spotřeby materiálu při dosažení maximální pevnosti nebo tuhosti prvku. Taková optimalizace je dnes běžná např. ve strojírenském průmyslu. Tvarová optimalizace z hlediska spotřeby materiálu přirozeně vede k navrhování tenkostěnných prvků, u kterých je jejich pevnost a tuhost zajištěna nikoliv tloušťkou materiálu, ale jeho vhodným tvarováním do tenkostěnných útvarů, jako jsou skořepiny a lomenice a jejich odlehčením vhodně umístěnými otvory. Proto je aktuálně běžící grant zaměřen i na výzkum možností využití tohoto potenciálu v investiční výstavbě.

Snaha o úspory materiálu dobře zapadá do dnešních požadavků na úspory neobnovitelných zdrojů surovin, úspory energií, minimalizaci odpadů při odstraňování budov a udržitelnou výstavbu.

Ze zřejmých důvodů se nabízí tisk svislých konstrukcí, a to jak obvodového pláště stavby i vnitřních dělících stěn. Využití 3D tisku pro vodorovné stavební konstrukce je omezeno na tisk prefabrikovaných prvků, které ale musí konkurovat jiným běžně užívaným typům konstrukcí, jako jsou silně odlehčené dutinové předpjaté panely a další běžně známé systémy.

Ve většině dosud známých realizací 3D tištených budov je vytištěná skořepina využita pro obvodový plášť stavby a pro vnitřní nenosné dělící stěny. Funkci svislých nosných konstrukcí většinou zajišťují obvyklé typy konstrukcí – ocelové sloupy, popřípadě železobetonové sloupy, betonované do ztraceného bednění, vytvořeného 3D tiskem.

Využití tenkostěnných svislých nosných prvků, jako skořepin a lomenic pro svislé nosné stěny, znamená výzvu pro betonové stavitelství. Je pravděpodobné, že další rozvoj 3D tisku přinese podobnou revoluci do betonového stavitelství, jakou přineslo rozšíření tenkostěnných, za studena tvářených prvků do ocelového stavitelství ve druhé polovině minulého století. Tato revoluce v ocelovém stavitelství si v minulosti vyžádala rozvoj nových návrhových teorií a vznik nových návrhových norem. Při jejich vývoji hrál významnou roli i profesor Ing. Miroslav Škaloud, DrSc. Tenkostěnné prvky jsou obecně náchylné k různým ztrátám stability, jako je prostorová ztráta stability (vybočení, zkroucení) tlačených prutů, klopení ohýbaných průřezů a boulení stěn namáhaných kombinací tlaku a smyku.

V případě betonového stavitelství jde o ještě komplikovanější úlohu, než tomu bylo v případě stavitelství ocelového. Je to tím, že jak prostý, tak vyztužený beton jsou složitějšími kompozity, u kterých jsou stabilitní problémy komplikovány jevy, jako je smršťování a dotvarování betonu či oslabení tažených oblastí konstrukce trhlinami. Větší roli než u ocelových konstrukcí hrají i imperfekce prvků, vzniklé při výrobě. To všechno jsou jevy, ke kterým u ocelových prvků v takovém rozsahu nedochází.

V rámci řešeného projektu 3D-STAR je úkolem vlastní vývoj a výroba komplexního systému 3d tisku cementových kompozitů a komplexní řešení konstrukce od jejího návrhu, optimalizace cementové směsi po její vytištění a aplikaci na stavbě.

Tiskové zařízení

Obr. 1 Pracovní prostor TestBedu
Fig. 1 TestBed working area

Prvním krokem v realizaci řešeného projektu byl vývoj a výroba robotické pohybové soustavy – TestBed na Technické univerzitě v Liberci. Koncepčně se jedná o masivní portálový pohybový systém dimenzovaný tak, aby nebyl omezen hmotností neseného břemena (obr. 1).

Pracovní prostor TestBedu je 3×1×1 m v osách x, y, z, což umožňuje testovat tisk směsi na objektech měřítkem srovnatelným s reálnou stavbou. Velikost zařízení byla uzpůsobena prostorám Kloknerova ústavu, kde je zařízení provozováno. Při tisku tímto laboratorním strojem lze běžně dosáhnout rychlosti kolem 120 mm/s. Nicméně rychlost je omezená spíše velikostí tisknutého prvku a ovlivněna potřebným časem na vytištění jedné vrstvy. Při přílišné rychlosti může docházet ke ztrátě stability tištěného prvku, při pomalejším tisku zase k náchylnosti na nedokonalé spojení aktuálně tištěné vrstvy s původní a k riziku její následné delaminace při namáhání prvku. Ukazuje se, že samotný materiál není problém tiskovou hlavou extrudovat i násobně rychleji – laboratorní tisk je omezen půdorysným prostorem a rychlost je tedy uměle upravována pro optimální potřeby aktuálního tisku. Čerpání cementové směsi do tiskové hlavy je řešeno vřetenovým čerpadlem s nádobou na čerstvou směs umístěným před tiskovým prostorem. Rychlost čerpání je řízena automaticky s ohledem na rychlost extruze.

Tisková hlava

První verze tiskové hlavy se vydala cestou otevřené soustavy obsahující zásobník směsi o objemu cca 20 litrů. Do zásobníku tiskové hlavy byla směs dopravována z čerpadla hadicí o vnitřním průměru 35 mm. Na zásobník navazovalo šnekové řízení dávkování směsi do trysky. První verze tiskové hlavy umožnila po několika testovacích tiscích najít přibližné rozmezí výchozích hodnot nastavení tiskových parametrů a dále zpřesnila okrajové podmínky týkající se konzistence tiskové směsi.

Jako nevýhoda se ukázalo, že pro požadované parametry extruze není otevřená soustava příliš vhodná, což se projevilo především nespolehlivým podáváním směsi ze zásobníku ke šneku a tím pádem nekonzistentní tiskovou stopou.

S důrazem na odstranění problémů pozorovaných u první tiskové hlavy byla naprojektována druhá tisková hlava ve verzi uzavřeného systému bez zásobníku. Tato strategie tiskové hlavy je v několika ohledech jednoduší, zato vyžaduje pečlivější naladění celé dávkovací soustavy a přesnou synchronizaci všech řídících komponent. Odpadá nutnost použití rozměrného a těžkého zásobníku a celá tiskové hlava je tak kompaktnější a v základní verzi má menší počet pohyblivých mechanických komponent.

Po experimentálním ověření několika druhů vyvíjených tiskových směsí a nastavení bylo přistoupeno k variantě přidávání tekutého urychlovače tuhnutí přímo v tiskové hlavě. Urychlovač tuhnutí je nutné co nejlépe promísit s tiskovou směsí, a to poměrně rychle a na velmi krátké vzdálenosti v tiskové hlavě těsně před tryskou. Pro tento účel byl vyvinut systém speciálně tvarovaných pohyblivých lopatek mechanicky spřažených s pohonem dávkování tiskové směsi a bylo testováno několik typů tvarování samotného vtoku urychlovače. Lopatky nejenže musí směs dokonale promíchat s urychlovačem, ale zároveň by měly co nejméně omezovat průtok materiálu tiskovou hlavou a nesmí být náchylné k zanášení komponenty tiskové směsi během tisku. Po experimentálním ověření několika základních tvarů lopatek byla vybrána varianta, která svými vlastnostmi nejlépe splňovala většinu požadavků. Tato varianta dále podstoupila vývoj mechanického a materiálového řešení tak, aby lépe odolávala abrazivnímu prostředí v tiskové hlavě, a ani po průtoku několika tisíců litrů cementové směsi nejeví žádné výrazné známky opotřebení.

Tiskový materiál

Pro účely 3D tisku byl vyvinut vlastní jemnozrnný materiál s pojivem na bázi cementu. V nynější době existuje řada komerčně vyráběných směsí. Smyslem vývoje vlastní směsi bylo mít možnost volné modifikace směsi na základě požadavků na samotný tisk, a to z hlediska finálních materiálových vlastností, zrnitosti, a hlavně konzistence směsi. Vývojem směsi jsou získány důležité poznatky využitelné zejména pro návrh směsi z lokálních surovin v místě plánovaného tisku. Parametry aktuálně používané směsi jsou pevnost v tlaku na úrovni 40–50 MPa. Pro laboratorní tisk je používána pytlovaná směs s maximálním zrnem kameniva do 1 mm. Významným prvkem směsi je cement a další jemné podíly zajišťující optimální zrnitost. Tixotropie směsi je zajišťována WMA přísadami, smrštění eliminováno dávkováním PP vláken do směsi a konzistence řízena kombinací množství plastifikátoru a urychlovače tuhnutí dávkovaného v závěru tiskového procesu. Laboratorně se jedná o jemnozrnnou cementovou maltu. Pro další vývoj byly zahájeny práce na vývoji směsi betonu obsahující kamenivo zrnitosti od 4 mm, vhodné na tisk zejména in-situ. Tato varianta však vyžaduje komplexní návrh celého systému tisku od skladování jednotlivých komponent, míchacího zařízení, čerpadla, hadic a v neposlední řadě robustní tiskové hlavy.

Systém dávkování urychlovače

Varianta dávkování urychlovače tuhnutí v práškové podobě před čerpáním směsi byla pro plánované účely projektu ověřována pouze základně a opuštěna vzhledem k některým limitujícím faktorům popsaných dále. Postupným definováním požadavků na betonovou tiskovou směs a tištěné konstrukční prvky bylo rozhodnuto vyvíjet variantu vstřikování kapalného urychlovače v poslední fázi tisku. Jednou z hlavních výhod tohoto řešení je rychlá reakce na změny okolních klimatických podmínek, která je velmi obtížná při variantě tisku směsi s práškovým urychlovačem v sypké směsi. Další výhodou je i jistota, že při zastavení tisku nebude urychlená směs tuhnout v dopravním hadicovém systému. V laboratorních podmínkách dosahuje systém délky cca 10 metrů, ale v případě tisku na staveništi může dosahovat významně vyšších hodnot. K urychlení tuhnutí směsi, dochází aktuálně v rámci 3 až 5 minut po extruzi což umožňuje rychlý tisk. Rychlost tuhnutí je významným faktorem pro tisk sloupových prvků, které mají v jedné vrstvě poměrně krátkou stopu a tím i nutnost co nejkratší doby tuhnutí. Zároveň je potřebné naladit rychlost tisku a množství vstřikovaného urychlovače tuhnutí tak, aby nedocházelo k přílišně rychlému zatuhnutí, které by ovlivňovalo vzájemnou soudržnost po sobě tištěných vrstev. Zkoušením různých variant urychlovačů byl zvolen jako nejvhodnější roztok síranu hlinitého v různých poměrech s vodou, podle teplotních podmínek v místě tisku a v závislosti na požadované konzistenci směsi. V jedné z variant tiskové hlavy bylo řešeno, pod jakým tlakem bude nutno urychlovač do hmoty vstřikovat, a jak regulovat přesné množství kapaliny. Pro čerpání a vstřikování urychlovače bylo použito zubové čerpadlo se senzorem průtoku, aby bylo možno regulovat průtok a současně vyrovnávat protitlak v hadičkách dopravujících kapalný urychlovač. Tato varianta systému čerpání, vstřikování urychlovače a extruze cementové směs se prozatím ukázala jako nejvhodnější z hlediska možnosti okamžité kontroly tisku a optimalizace procesu obsluhou. Urychlení tuhnutí směsi otevírá možnost tisku například profilovaných a převislých stěn (obr. 2 a 3).

Obr. 2 Zkušební prvek s převisem
Fig. 2 Test element with overhang

Obr. 3 Zkušební prvek s tvarově profilovanou stěnou
Fig. 3 Test element with profiled wall

Geometrie tištěných prvků

Obr. 4 Příklady struktur tištěného stěnového prvku: vlevo rovná stěna, vpravo profilovaná stěna
Fig. 4 Examples of structure of the printed wall element: on the left plain wall, on the right profiled wall

Samotnou a nedílnou disciplínou 3D tisku je příprava dat pro tisk. Od tvarování samotných tiskových objektů až po volbu vhodné tiskové strategie a parametrů. Tvarování objektů bylo ze začátku podřizovalo především nutnosti zkalibrovat tiskové nastavení a vytisknout vzorky pro stanovení základních mechanických vlastností vytištěného materiálu. V momentě zvládnutí jednoduchých tiskových úloh se těžiště experimentů přesunulo k tvarování objektů za účelem odzkoušení hranic tiskového systému a také k hledání optimálního tvaru pro 3D tisk konstrukcí. Obecně ze zkoušek vychází pro výrobu 3D tiskem tvarovat tištěné prvky do prohnutých tvarů a co nejvíce omezit ostré rohy. S dobrými výsledky proběhly například experimenty s křížením tiskové dráhy v jedné vrstvě. Takto tištěný průnik zaručuje dobré propojení tiskové hmoty a nedochází k občasné půdorysné delaminaci tiskových stop, jako bylo pozorováno u bodově nebo tečně napojených tiskových stop.

Předmětem dalšího zkoušení bylo mimo jiné také architektonicko-estetické pojednání tištěného povrchu, které zároveň respektuje výše zmíněné poznatky. Práce s geometrií tiskové stopy v rámci linky povrchu umožňuje libovolné vzorkování povrchu. Například kombinací průniků vrstev posunutých o polovinu výšky tiskové vrstvy vznikl dekorativní povrch bez prasklin a defektů, které by mohly vznikat při tuhnutí výtisku (obr. 4). Dlouhodobé účinky objemových změn a odolnosti povrchu jsou předmětem další části výzkumu.

Tvorba modelů a řízení

Obr. 5 Tiskový model stěnového prvku
Fig. 5 Printing model of wall element

Pro první pokusy řízení Testbedu byl použit ručně psaný G-kód – v zásadě pro tisk jednoduchých tvarů jako čtverce a kruhy. Pro další pokusy a možnost jednoduššího zadávání složitějších tvarů a průniků tiskových drah byl připraven skript v grafickém programovacím prostředí Grasshopper pro Rhinoceros3D. V úvodu šlo pouze o převod křivek na G-kód v potřebném formátu, později přibyla možnost zadat přímo 3D objekt a parametricky nastavit roztiskávácí dráhu (pro ustálení poměrů v tiskové hlavě) před samotným tiskem objektu (obr. 5). Postupně byly přidávány další možnosti parametrizace některých nastavení. Tento slicer také umožnuje zadat tiskovou dráhu s proměnnou zetovou souřadnicí – jednotlivé tiskové vrstvy tak nemusí být pouze vodorovné – tzv. non-planar printing. Během testování takto vyvstaly některé praktické problémy a stabilizovaly se postupy přípravy materiálu i zařízení a některé z těchto postupů bylo možné automatizovat. V rámci řešení projektu byl na Technické univerzitě v Liberci vyvinut program Starslicer, který je komplexnějším řešením, optimalizovaným pro tisk cementových směsí. V základu obsahuje možnost nastavení mnoha parametrů, jako například přizpůsobení rychlosti tisku požadovanému tiskovému času na jednu vrstvu nebo možnost spirálové dráhy tisku a plně využívá možností testovací platformy. Výhodou daného softwaru je právě jeho vývoj na míru požadovaného tiskového zařízení a tištěných prvků, a tedy možnost jeho stálé optimalizace na základě získaných zkušeností.

Experimentální zkoušky

Obr. 6 Stěnový prvek po tisku a vyplněný izolací
Fig. 6 Printed wall element after the print and filled by the inslulation

Základním stavebním kamenem 3D tisku jsou fyzikálně mechanické parametry vytištěných objektů, případně jejich dílčích částí. V úvodní fázi projektu byly zkoušeny vzorky připravované řezáním z vytištěných prvků tak, by byly ověřeny vlastnosti směsi po tisku a zpětně mohla být směs optimalizována. V další fázi se již tisk věnoval návrhu a tisku tenkostěnných prvků a zatěžovacím zkouškám takto vytištěných struktur. Příkladem tištěného tenkostěnného stěnového prvku je například segment stěny na následujícím obrázku (obr. 6). Prvek má tloušťku stěny (šířku tiskové stopy) 20 mm. Šířka tiskové stopy může obecně u dané tiskové hlavy s výměnnými tryskami variovat v rozmezí 20–50 mm. V případě tisku in-situ lze modifikovat jak směs, tak i šířku tiskové stopy – pro laboratorní poměry je toto zvolené rozmezí dostatečné. U obvodových stěn u tohoto stěnového prvku nabízí možnost vyplnění dutiny prvku sypanou nebo litou tepelnou izolací. Tištěné objekty dosahují výšky 80–90 cm který je aktuálně limitem pro laboratorní tiskové zařízení. Rychlost tisku a parametry směsi jsou ale nastaveny tak, aby mohl tisk kontinuálně probíhat nejen do 80 cm ale výše. I z tohoto důvodu je snaha o tisk velmi tenkých prvků, umožňující podchytit případný stabilitní problém ve fázi tisku i u nejnepříznivější varianty velmi subtilního prvku.

Vizí projektu je tisk nejen vertikálních konstrukcí ale komplexního tisku celého systému, tedy i tisku horizontální konstrukce. Využití technologie 3D tisku pro vodorovné konstrukce má svá omezení, plynoucí jednak z nemožnosti „tisku do vzduchu“ a dále z nutnosti vyztužování ohýbaných prvků v tažených oblastech. Z toho plyne, že 3D tisk vodorovných nosných prvků bude pravděpodobně omezen na prefabrikáty, tištěné na tuhé podložce. Pro vyztužování ohýbaného tištěného prvku jsou ve světě vyvíjeny jednak systémy, kdy je ohebná výztuž ukládána průběžně při tisku přímo upravenou tiskovou hlavou a dále systémy, kdy je tisková hmota vyztužena pouze rozptýlenou výztuží vlákny různých typů a vlastností. Obě tyto možnosti jsou hlouběji zkoumány. Na následujícím obrázku je příhradový nosník stropu, vytištěný tiskovou stopou šířky 40 mm. Nosník je vyztužený betonářskou výztuží profilu 6 mm, vloženou mezi tiskové vrstvy ručně v průběhu tisku. Nosná výztuž je uložena pouze do spodního pasu a do tažených diagonál. Horní tlačený pas je konstruktivně vyztužen dvěma profily betonářské výztuže o průměru 6 mm s ohledem na manipulaci s prvkem při dopravě a montáži. Jde o první prototyp nosníku, vyrobený a testovaný především za účelem ověření vzájemné soudržnosti tiskových vrstev a soudržnosti tiskové směsi s výztuží. Nosník na obrázku má délku 2970 mm s ohledem na prostorové možnosti tiskového a zkušebního zařízení v laboratoři. Je ale navržen tak, aby vyhověl pro bytovou stavbu na rozpětí 6,0 m. Příhradové nosníky na rozpětí 6 m lze navrhnout tak, aby srovnaná tloušťka materiálu byla kolem 100 mm. Šířka tiskové stopy byla v tomto případě 40 mm. Na následujícím obrázku je vytištěný vazník.

První testy vazníku zatěžovaného čtyřbodovým ohybem ukazují velmi dobré chování prvku, u kterého se neprojevily žádné známky delaminace tiskových vrstev a způsob porušení, kdy došlo k přetržení výztuže dolního pasu, byl v dobré shodě s předpokladem statického výpočtu. Aktuálně jsou zkoumány možnosti 3D tisku cementové směsi s rozptýlenou výztuží.

Vytištěné prvky jsou podrobovány zatěžovacím zkouškám jak v tlaku (svislé konstrukce) tak v ohybu (vodorovné konstrukce). Na obrázku 7 a 8 jsou testy únosnosti tlačeného a ohýbaného prvku v laboratoři Kloknerova ústavu ČVUT. Součástí projektu jsou práce na tvorbě a optimalizaci výpočtového modelu tak, aby bylo možno konfrontovat výsledky testu v laboratoři s výsledky výpočtu a ve finále kontrolovat únosnost prvků pouze dostatečně spolehlivým statickým výpočtem. Výpočty s využitím pokročilých geometricky i fyzikálně nelineárních modelů jsou prováděny ve spolupráci s firmou Červenka Consulting s.r.o.

Obr. 7 Zkouška stěnového prvku v tlaku
Fig. 7 Load-bearing test of wall element in compression

Obr. 8 Zkouška příhradového vazníku v ohybu
Fig. 8 Load-bearing test of beam element in flexion

Závěr

Aktuální příspěvek má za úkol popsat obecně stav poznání TUL s KU získaného v rámci řešení projektu 3D STAR a pokud možno dále rozšířit povědomí o 3D tisku cementových kompozitů napříč stavebnictvím. Ukazuje se, že možnosti 3D tisku mohou uspokojit požadavky jak na optimalizaci z hlediska času a nákladů ale i doposud velmi pracnou snahu o tvarovou odlišnost a netradiční design ale i tvarovou optimalizaci z hlediska namáhání. Výsledkem aktuálního projektu je komplexní systém 3D tiskového zařízení, pomocí kterého máme nyní možnost laboratorně testovat jak zařízení jako takové, tak ladit cementovou směs z hlediska nejrůznějších požadavků či ověřovat meze tištěných struktur v návaznosti na jejich statické působení. Technologicky se tento přístup aktuálně jeví nejvhodnější z hlediska připravovaného přesunu 3D tisku na přímo na staveniště a tisku pomocí robotického ramena. To je vyvíjeno na TUL v rámci řešeného projektu a bude využívat všechny poznatky získané z předchozích zkušeností z 3D tisku.