Návrh postprocesoru pro generování G-kódu 3D tiskárny budov z betonových směsí

Úvod

V dnešní době hojně rozšířeného 3D tisku a stále se rozšiřující oblasti použití této technologie výroby není překvapením, že se tento způsob využívá také ke stavbě budov. Technologie 3D tisku má přínos především v automatizaci stavby budov. V současné chvíli se ještě nejedná o masové použití, ale na řadě míst po celém světě se v omezeném množství budovy již tisknou. Některé příklady jsou zobrazeny na Obr. 1.

Obr. 1: Vlevo vytištěná napodobenina hradu od Andreye Rudenka z roku 2014 Zdroj: [2]. Vpravo čínský projekt vily společnosti HuaShang Tengda. Zdroj: [5]

Obr. 2: Tisk největší budovy na světě v Dubaji společnosti Apis Cor. Zdroj: [4]

Stále se ještě jedná spíše o experimenty pro ověření možností této technologie v oblasti tisku budov a dalších parametrů, jako jsou např. vlastnosti a možnosti hmot používaných pro tisk. Nicméně některé projekty již odpovídají požadavkům každodenního využití. Například společnost Apis Cor vytiskla administrativní budovu v Dubaji, která je největší vytištěnou stavbou na světě [4], viz Obr. 2.

Materiálem používaným při tisku budov jsou nejčastěji betonové směsi. Základem směsí je písek o malé frakci a různé druhy cementů.

1. Postproces

Postprocesem se v tomto případě rozumí transformace dat o geometrii budovy do podoby příkazů pro pohyb 3D tiskárny. V praxi se běžně k řízení 3D tiskáren, robotů a víceosých zařízení používá tzv. G-kód. Jedná se o standardizovaný formát příkazů, které řídící systém zařízení převádí do pohybů jednotlivých os a také do dalších funkcí (např. spuštění vřetene CNC soustruhu a nastavení jeho otáček). Pro zvýšení automatizace celého procesu stavby, od návrhu až po realizaci, je vhodné použít odpovídající postprocesor – algoritmus pro generování G-kódu také pro 3D tisk budov. To je přínosné především z hlediska projektanta, který nemusí být programátorem CNC strojů (nemusí tvořit samotný G-kód). Naopak pouze na úrovni uživatele postprocesoru, tedy počítačového programu, jednoduše nechá vygenerovat G-kód. Tento přístup je známý ze strojírenského světa, kde se obdobné postprocesory běžně využívají pro obrábění. Je tedy velmi výhodné využít stejnou filozofii, a to na úrovni 21. století a nepožadovat po stavebním projektantovi znalost programování, aby mohl projektovat stavby pro 3D tisk.

1.1 Geometrický popis budovy

Obr. 3: Popis kulové plochy (vlevo) pomocí formátu STL (vpravo). Zdroj: [6]

V současné době se při návrhu budov stále více prosazuje 3D navrhování. Celá stavba je tak popsána pomocí digitálních dat, tzv. BIM (Building Information Modeling/Informační model budovy). Tato data obsahují mimo jiné také informace o objektech definujících budovu a jejich vlastnostech. Z hlediska postprocesoru jde především o popis geometrie budovy, tzn. šířka, délka a výška zdí a jejich poloha. Při běžném 3D tisku z plastových materiálů (např. hobby tisk) je výtisk definován pouze povrchem. K takovému popisu je vhodný nejpoužívanější formát souborů STL, který popisuje plochy složené z malých trojúhelníkových plošek, viz Obr. 3. Přesnost plochy je závislá na množství trojúhelníkových ploch. V tomto formátu není definice objemu vůbec obsažena, jako je tomu např. u formátu souborů STEP. Budovu je tedy možné popisovat pomocí formátu STL, viz [1]. Formát STL je sice univerzální formát pro popis 3D objektů, ale ztrácí informace o přesné geometrii budovy a struktuře stěn.

1.2 Postprocesor

Při generování G-kódu v postprocesoru, tedy odpovídajícím softwaru (u 3D tisku z plastu hovoříme o tzv. sliceru), probíhá kontrola uzavřenosti ploch a tím je v podstatě určován objem uzavřený plochou složenou z trojúhelníkových plošek. V případě generování drah pro tisk pomocí sliceru jsou nejdříve generovány trasy po povrchu tělesa a poté je prostor uzavřený definovanou plochou vyplněn předem zvolenou strukturou, např. mřížkou, gyroidem nebo může být i bez výplně. Přičemž zpravidla se jedná rastr na tiskové ploše, dle kterého je výplň určena. Vzhledem ke specifikům 3D tisku budov se stěny netisknou plné, ale využívá se prostorových struktur, pomocí nichž je možné konstrukci odlehčit. Stěny budovy mají zpravidla výplň podobnou příhradové konstrukci, která vychází z pevnostních požadavků. Taková struktura je vidět na Obr. 2.

Obr. 4: Vygenerované dráhy pro jednu stěnu

Obr. 5: Vytištěná stěna se zhroucenými vrstvami

Běžně používané slicery pro generování G-kódu nedokážou zcela vyhovět vlastnostem tiskového materiálu pro tisk budov, např. při přemosťování. Vygenerovaná vnitřní struktura stěn není optimální, je pouze nahodile umístěná nebo neuspořádaná. Z toho vyplývá, že běžně používané softwary pro generování G-kódu, resp. drah, nejsou zcela vhodné pro oblast 3D tisku budov. Postprocesor musí respektovat nejen geometrii budovy určené k tisku, ale také vlastnosti tiskového materiálu a podmínky tisku. Řešením je tedy vytvoření nového speciálního popisu geometrie budovy a postprocesoru (generátoru G-kódu) pro řízení 3D tiskárny pro tisk budov, který musí obsahovat matematický model materiálu, jehož parametry budou ovlivňovat generování G-kódu. To umožní přenos informací přímo z návrhových dat (BIM) do G-kódu pro tiskárnu. Dráhy vygenerované pomocí navrhovaného postprocesoru by pro jednu stěnu mohly odpovídat Obr. 4. Lze na něm také vidět, že stěna je vždy v dané vrstvě tištěna jedním tahem, tj. bez přerušení. Zároveň poloha drah příhradové výplně musí splňovat propojení vytištěného materiálu s obvodovými drahami, aby byla zachována pevnost celého profilu.

Na Obr. 5 lze vidět vytištěnou stěnu odpovídající drahám zobrazeným na Obr. 4. Zároveň lze na stěně vidět zhroucení, tedy ztrátu stability vlivem rychlého pokládání vrstev, popis této situace viz níže.

2. Matematický model materiálu

Na výtisk je kladeno několik požadavků, jako např. stabilita, pevnost / únosnost, tvarová přesnost atd. Tyto požadavky jsou kromě geometrie a struktury stěn závislé především na vlastnostech tiskové směsi.

2.1 Materiál pro tisk

Obr. 6: Pokládání vrstvy betonové směsi při tisku budovy. Zdroj: [3]

Při tisku budov se používá technologie podobná FDM (Fused Deposition Modeling), kdy se tiskne vrstva po vrstvě. Pro zvýšení pevnosti vytištěného objektu je možné do směsi přidat výztuž, buď vlákna (např. ocelová nebo polymerová) nebo konvenční skládanou ocelovou výztuž. Směsi jsou speciálně určené pro 3D tisk a mají specifické vlastnosti. Především musí být tisknutelné, čímž je myšlena schopnost směsi téct a vázat se, tendence k trhání, stabilita vytištěné vrstvy atd. Příklad vytištěné vrstvy splňující tyto požadavky je zobrazen na obrázku Obr. 6.

Dalším požadavkem na směs je přesně definovaný průběh vytvrdnutí vrstvy do požadované pevnosti v čase. Právě naladění směsi do výše zmíněných parametrů je poměrně náročné, záleží na poměrech jednotlivých složek směsi a lze k tomu využít také speciálních chemických látek, které urychlí, případně zpomalí nástup tvrdnutí směsi. Tištěná vrstva musí být již při pokládání dostatečně stabilní a v ideálním případě u ní musí dojít k nástupu tvrdnutí ihned po uložení. Na druhou stranu nesmí vytvrdnout příliš rychle, aby se s následující vrstvou mohla spojit a byla tak zajištěna stabilita celé tištěné konstrukce.

Obr. 7: Zkušební zařízení pro testování tiskové směsi

2.2 Zkušební zařízení

Pro testování tiskové směsi bylo navrženo zkušební zařízení, viz Obr. 7. Zařízení sestává z pevného rámu, rámu osy Z pohyblivého ve svislém směru, osy X, která pojíždí v podélném směru a příčně pohyblivé osy Y. Kombinací pohybů těchto os je zajištěn pohyb tiskové trysky v pracovním prostoru. Do zařízení vstupuje tisková směs z míchacího zařízení hadicí uloženou v horním průvlaku a připojenou k tiskové trysce.

2.3 Experiment pro zjištění parametrů materiálu

Matematický model materiálu je tvořen parametry zjištěnými z experimentů provedených na zkušebním zařízení. Je navržena metodika pro zjištění sledovaných parametrů směsi. Sledované parametry jsou:

Obr. 8: Detail zhroucení vrstev

• Pevnost v tlaku
• Kvalita vrstvy v závislosti na rychlosti posuvu
• Tisknutelnost po přerušení tisku

Při prvním experimentu je měřena pevnost v tlaku vytisknuté směsi v čase. Během tvrdnutí vytištěné směsi dochází k nárustu pevnosti v tlaku. Tento údaj je důležitý z hlediska únosnosti vrstev, záleží na něm rychlost tisku a také vůbec realizovatelnost tisku s danou směsí při dané velikosti výtisku = délce dráhy jedné vrstvy. Pokud bude výtisk příliš malý a vrstva nestihne dostatečně rychle vytvrdnout a získat dostatečnou pevnost, aby unesla další vrstvu, dojde ke zhroucení. Příklad takového zhroucení vrstev je vidět na Obr. 8.

Druhý experiment spočívá v testování různých rychlostí posuvu a sledování kvality vrstvy. Při určité rychlosti posuvu se projeví např. tendence k trhání směsi při pokládání.

Třetí experiment sleduje tisknutelnost po přerušení tisku. Postupně se zvyšuje čas přerušení tisku a je sledována vhodnost směsi pro tisk, zda nedegraduje a zda nezatvrdne v dopravní cestě k trysce. Daný experiment v podstatě simuluje přerušení tisku při přejezdech nebo během technologické přestávky. Údaj o tisknutelnosti je důležitý také z hlediska nárůstu požadovaného výkonu 3D tiskárny.

2.4 Matematický model vytisknuté vrstvy

Na Obr. 9. lze vidět předpokládaný výsledek prvního experimentu. Výchozím okamžikem je zamíchání, kdy dojde k promísení všech složek směsi.

Obr. 9: Nárůst pevnosti směsi v čase od zamíchání

V grafu jsou zobrazeny tři průběhy (žlutá, zelená a modrá), ty představují nárůst pevnosti směsí s různou rychlostí tvrdnutí. Žlutá je nejrychlejší a modrá naopak nejpomalejší směs. V určitém časovém horizontu dosáhnou všechny směsi přibližně shodné konečné pevnosti. Červená linka znázorňuje nárust tíhy vytištěných vrstev. Na počátku je časová prodleva představující dopravu směsi do trysky dopravní cestou, po tento časový úsek nepůsobí na směs tíha následujících vrstev. Od okamžiku uložení směsi v dané vrstvě narůstá zatížení způsobené tíhou následujících vrstev. Při reálném tisku narůstá toto zatížení samozřejmě skokově, ve zmíněném grafu je však nárůst uvažován kontinuální, lineární ihned od uložení směsi.

Výsledky dalších dvou experimentů nelze zobrazit v grafu. Druhý experiment je hodnocen na základě kvalitativních parametrů vytištěné směsi. Výsledkem třetího experimentu je maximální doba přerušení tisku.

3. Vliv parametrů matematického modelu na generování G-kódu

Postprocesor na základě matematického modelu musí umět rozhodnout o vhodnosti směsi pro daný výtisk, resp. danou vrstvu ve výtisku. Volba druhu směsi bude probíhat především na základě velikosti tištěného objektu, resp. délky dráhy dané vrstvy. Směs vyznačená modrou linkou na Obr. 9. má počátek tuhnutí nastaven na 40 minut. Lze vidět, že pokud bude výtisk příliš malých rozměrů (délka dráhy bude příliš krátká), bude docházet při konstantní rychlosti tisku k rychlému kladení jednotlivých vrstev, tj. k rychlému nárůstu zatížení dané vrstvy. Přírůstek zatížení bude tak veliký, že po cca 28 minutách dojde k překročení pevnosti vrstvy a ke zborcení výtisku.

Naopak směs, jejíž průběh tuhnutí je vyznačen zelenou linkou je pro shodně veliký výtisk a rychlost tisku vyhovující. V případě, kdy průběh zatížení od následujících vrstev (červená linka) leží pod průběhem nárůstu pevnosti příslušné směsi, stabilita výtisku není ohrožena.

Také zdánlivě nevyhovující směs (modrá linka) dle výše zmíněných parametrů je za určitých podmínek použitelná, nicméně její aplikace nebude z časového hlediska efektivní. Pokud bude maximální doba přerušení tisku pro směs označenou modře dostatečně dlouhá, je možné při mezní pevnosti tisk přerušit a vyčkat na počátek tvrdnutí již vytištěných vrstev a poté pokračovat v tisku (fialová linka). Podobně je možné dynamicky měnit rychlost tisku pro efektivní využití vlastností směsi, pokud při daných rychlostech zůstane kvalita vytištěné směsi vyhovující (viz kap. 2.3).

Závěr

Použitím běžných postprocesorů pro generování drah, resp. G-kódu se ztrácí informace o přesné geometrii budovy a struktura stěn není optimální. V práci je navrženo vytvoření nového postprocesoru určeného přímo pro tisk budov ze směsí na bázi cementu. Navrhovaný postprocesor získává data o tištěné budově z BIM. Po jejich analýze, návrhu dráhy tisku a optimalizaci generuje G-kód. Snaha o optimální využití směsi a možností 3D tiskárny klade výrazné požadavky na postprocesor a vygenerovaný G-kód. Postprocesor vhodný pro tisk budov obsahuje komplexní matematický model materiálů, z nichž nejvhodnější přiřadí pro tisk dané vrstvy.

Tato práce byla podpořena grantem TH04010143 3D TISKÁRNA BUDOV A PREFABRIKOVANÝCH KOMPONENT PRO STAVEBNICTVÍ 4.0.

Prameny

1. MEHMET, Sakin, Yusuf Caner KIROGLU. 3D Printing of Buildings: Construction of the Sustainable Houses of the Future by BIM. Energy Procedia [online]. Ocotber 2017, 134, str. 702–711. [cit. 20.8.2020]. ISSN 1876-6102. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.562
2. 3D Castle Completed [online]. Andrey Rudenko. [cit. 21.8.2020]. Dostupné z:
   http://www.totalkustom.com/3d-castle-completed.html
3. 3D Printed House/Construction Materials: What Are They? | All3DP [online]. All3DP. [cit. 20.8.2020]. Dostupné z: https://all3dp.com/2/3d-printing-in-construction-what-are-3d-printed-houses-made-of/
4. Apis Cor 3D printed in Dubai [online]. Apis Cor. [cit. 20.8.2020]. Dostupné z: https://www.apis-cor.com/dubai-project
5. This On-Site 3D Printed House Took Only 45 Days | All3DP [online]. All3DP. [cit. 20.8.2020]. Dostupné z:
   https://all3dp.com/21776-2/
6. STL File Format (3D Printing) – Simply Explained | All3DP [online]. All3DP. [cit. 20.8.2020]. Dostupné z:
   https://all3dp.com/what-is-stl-file-format-extension-3d-printing/
7. POPIS NÁVRHU POSTPROCESORU PRO GENEROVÁNÍ G-KÓDU 3D TISKÁRNY BUDOV Z BETONOVÝCH SMĚSÍ – Kamenický, J. – Štádler, M., In: Recenzovaný sborník příspěvků z 20. odborné konference z cyklu Integrované inženýrství v řízení průmyslových podniků na téma Aplikace a využití moderních nástrojů, metod a technologií v praxi. Praha: Czech Technical University in Prague, 2020. p. 53–59. ISBN 978-80-01-06775-8