Aditivní výroba ve stavebnictví při využití přírodních materiálů

1. Současná situace aditivní výroby

Obr. 1: Stropní konstrukce ETH ZURICH

V 21. století se setkáváme s robotizací a celkovou automatizací pracovních procesů. Toto umožnil technologický pokrok, který tak řeší aktuální ekonomické, obchodní a environmentální požadavky včetně akutního nedostatku kvalifikované pracovní síly. Automatizované a progresivní technologie jsou již dnes běžně využívány v mnoha výrobních procesech a průmyslových odvětvích (např. strojírenství, letectví, automobilismus a kosmonautika). Ve stavebnictví tyto technologie prozatím nejsou příliš rozšířeny, často jsou doménou výzkumných organizací a studentských prací [1], viz Obr. 1. Mezi nejvíce progresivní technologie dneška patří aditivní výroba, kterou stavbaři v posledních letech testují na pilotních projektech v různých zemích. Článek se zabývá definicí aditivní výroby, technologií nanášení, strojním vybavením a používaným materiálem. Přidává příklady realizovaných staveb a zabývá se možnostmi využití přírodních materiálů pro 3D tisk staveb.

2. Technologie aditivní výroby

Jako aditivní výrobu označujeme způsob zpracování materiálu tak, že výsledný výrobek vznikne jeho postupným kontrolovaným přidáváním. Takto se v současnosti zpracovávají nejčastěji materiály, které lze roztavit – např. kovy, plasty (zejména termoplasty), sklo. Patří sem zejména odlévání, spékání („sintrování“, prášková metalurgie) a 3D tisk [1], viz Obr. 2. Opakem je subtraktivní výrobní proces, při němž naopak dochází k ubírání materiálu (viz Obr. 3). Velkou výhodou aditivní výroby je lokálnost bez nutnosti další dopravy materiálů a při vhodném použití i snížení nákladů [1].

Obr. 2: 3D tisk z polymeru

Obr. 3: Subtraktivní výrobní proces

3. Specifickým druhem aditivní výroby je 3D tisk

Pomocí 3D tisku lze produkovat velké množství různých výrobků, které nejsme schopni vyrobit konvenčním způsobem (jedná se například o objekty s organickými nebo často se měnícími tvary). S postupným rozvojem technologie se zlepšuje modelová přesnost, časová náročnost a daří se minimalizovat množství použitého materiálu na daný model. Pomoci autonomně inteligentních počítačových nástrojů mohou být naše geometrie v reálném čase modifikovány s ohledem na miliony situací, ke kterým bude daný model používán [2].

4. Materiály, technologie a roboti pro 3D tisk

Pro aditivní výrobu dnes můžeme využívat velké množství materiálů. Mezi průmyslově vyrobené hmoty pro 3D tisk ve stavebnictví se řadí velké množství plastů, kompozity, pryskyřice, kov, beton. Mezi přírodními materiály má signifikantní zastoupení hlína (vrstvená hlína, keramika, terakota, hlína s vlákny).

Mezi nejrozšířenější technologie 3D tisku patří tyto metody [3]:

• FDM – fusion deposition modeling (modelování postupným nanášením),
• SLA – stereolytografie (postupné vytvrzování pomocí záření),
• SLS – selective laser sintering (selektivní laserové slinování),
• DMLS – direct metal laser sintering (přímé spékání kovu laserem),
• DLP – digital light processing (digitální zpracování světla).

5. Základní rozdělení robotů

Je na stacionární (ty, které jsou spojené s pevným podkladem, nebo samostatně stojící), kolové (pohybující se pomocí koleček), nožičkové (pohybující se pomocí nožiček). Ostatní rozdělení je pak přímo podle jejich využití, a to: plavající nebo létající roboti, robotické koule, modulární roboti, mikro a nano roboti a jakákoliv hybridní kombinace.

Příklady robotů pro 3D tisk

V dnešní době jsou nejvíce používaná stacionární robotická ramena. Kartézské robotické rameno (tzv. portálové) se pohybuje ve třech osách X, Y, Z. Má tedy 0 stupňů volnosti. Pro základní pohyb je tento rám plně dostačující, přičemž je tohle řešení ze všech robotů nejlevnější.

Další z nástrojů pro aditivní technologie je robotické rameno SCARA. Pohybuje se v ose Z, rotuje potom v osách X, Y. Můžeme pak o něm říct, že má 3 stupně volnosti. Navazujícím základním typem je robotické rameno pracující v prostoru válce. Otáčí se kolem své osy Z a posunuje se pak v rovině X, Y. Má pouze jeden stupeň volnosti.

Sofistikovanější robotická ramena jsou už víceosé stroje pracující až v 6 osách. Tyto robotická ramena jsou vhodná zejména na 3D tisk oceli, kde se využije jejich natočení, aniž by gravitace jakkoliv zdeformovala „vytisknutý“ materiál.

Při 3D tisku budov se v současnosti používají hlavně ramena kartézské a válcové soustavy. Pohyb je pomocí elektrických krokových motorů po příhradových konstrukcích.

6. Přírodní materiály pro 3D tisk

Obr. 4: Ukázka programu pro robotickou výrobu

Výzkum [4] v oblasti vlastností 3D tištěných materiálů z vrstvené hlíny poukazuje na menší produkci emisí oxidu uhličitého v porovnání s betonovou směsí. Tento výzkum na příkladu dvou objektů z vrstvené hlíny mimo jiné prokázal, že postup nanášení konvenčním (manuálně) nebo aditivním způsobem (vytlačováním směsi a vrstvením robotickým ramenem nemá zásadní vliv na výsledný produkt. [4]. Experiment prokázal, že moderní technologie nemají vliv na mechanické a tepelné vlastnosti objektu. 3D tištěné vzory s využitím přírodních materiálů dle výsledku výzkumu lze použít pro stavební struktury, i když výrazně nepřekonávají ručně vyráběné objekty. Zde je prostor pro navazující výzkum. Studie opět poukazuje na řadu výhod robotické výroby, což jsou nové geometrie a návrhy. Jejich přesnost je vyšší v porovnání se srovnatelnými manuálními výrobky. Dále vytváří nové příležitostí, kdy spojuje umělou inteligenci s lidskou prací [4], viz Obr. 4.

3D tisk je v současnosti limitován hlavně rychlostí vytlačování, konzistencí namíchané směsi a kontinuitou vytlačování. Proto se dnes zkoumají nové velkoobjemové extrudery na míru, které dramaticky zlepší tiskové parametry. Nové vytlačovací systémy vykazují rychlost až 0,3 m/s. Poukazují na životaschopnost a využití při stavbě malých struktur a komponent pro jejich řešení [4], viz Obr. 5.

Obr. 5: 3D tištěné vzory s využitím přírodních materiálů

7. Limity aditivní výroby

Přes veškeré výhody, které nám aditivní výroba přináší, nemůže být konvenční způsob výstavby zcela nahrazen. Přechod na robotizaci a automatizaci je a bude složitý, a to z více důvodů. Mezi zásadní patří nedostatečně kvalifikovaná pracovní síla, jak pro výrobu CAD modelů, tak pro obsluhování a opravu autonomních strojů. Také pořizovací náklady na novou technologii jsou vysoké a spousta technických problémů ještě není uspokojivě vyřešena. Čím dál více tyto systémy navíc ohrožují rozsáhlé kybernetické útoky. Významným limitem je i složitá a velice náročná restrukturalizace dnešních výrobních závodů [4], [5].

8. Příklady a vývoj aditivní výroby ve stavebnictví

Obr. 6: První tištěná budova na světě

Ve stavebnictví se začala automatizovaná aditivní výroba používat zejména ve formě 3D tisku. Nejvíce využívaným konstrukčním materiálem byl beton nanášeny po vrstvách. Zprvu se používaly vytisknuté části estetické i konstrukční. V roce 2016 byla vytisknuta první administrativní budova, a to v Dubaji (Boss, Wolfs, Ahmed & Salet) [6], viz Obr. 6.

O 3D tisk budov v České republice se širší veřejnost začala zajímat po dokončení projektu Prvok [7], viz Obr. 7. Jedná se o experimentální tištěný dům, který si dává za ambici změnit vývoj ve stavebnictví. Autoři projektu udávají, že se jedná o architekturu inspirovanou organickým světem a získala své tvary díky robotickému ramenu. Dům Prvok je částečně soběstačný a vhodný do přírody, města či na vodu. Autoři domu Prvok předpokládají, že tištěné domky se ve srovnání s klasickými stavbami mohou dostat až na polovinu nákladů a mohou být postaveny až sedmkrát rychleji [7]. Počítač si informace o geometrii načte a pak navádí s milimetrovou přesností pumpu do cíle. Čistá doba tisku objektu Prvok byla 22 hodin, rychlost tisku 15 cm/s, rozměry 13,35 m × 3,50 m × 3,10 m, hmotnost 43 t a výdrž objektu je udávána na téměř 100 let [7]. Autoři projektu předpokládají, že s masovou výstavbou domů za pomoci 3D tisku v České republice stavaři začnou v horizontu tří až pěti let (viz Obr. 8).

Obr. 7: Prvok, 3D tisk z betonu v České republice

Obr. 8: Prvok, 3D tisk z betonu v České republice

První vytištěný dům z přírodního materiálů nese název Tecla. Dům byl vyroben více 3D tiskárnami, které pracovaly současně (viz Obr. 9).

Obr. 9: Tecla, první vytištěný dům z přírodních materiálů

Inovativní model stanoviště byl navržen společností WASP ve spolupráci s architektem Mario Cucinellou. Vytvořili zcela nový model bydlení, který je vytvořen z opakovaně použitelných materiálů pocházejících z místní hlíny. Dle autorů je dům uhlíkově neutrální a přizpůsobivý jakémukoliv klimatu a kontextu. Budova dokazuje, že 3D technologie je schopna optimalizovat stavební postupy a minimalizuje využívání lidských a energetických zdrojů. Proces stavby lze replikovat díky sadě od vývojářské firmy WASP. Zajímavostí je, že poprvé na světě byla synchronizována dvě tisková ramena. Díky výzkumu a softwarovým nástrojům bylo možno optimalizovat pohyb obou ramen a vyhýbat se kolizím (Obr. 10). Tento software byl i technologickou firmou patentován. Projekt Tecla je 200 hodin tisku, 7000 mechanických G-kodů, 350 hladin o výšce 12 mm, 150 km vytlačování, 60 m³ přírodního materiálů při průměrné spotřebě méně než 6 kW elektrické energie na provoz stroje. Projekt by měl fungovat v místech s exponenciálním nárůstem obyvatel a měl by přinést cenově dostupné bydlení [8], viz Obr. 11.

Obr. 10: Tecla, první vytištěný dům z přírodních materiálů: využívají se 2 stacionární ramena

Obr. 11: Vnitřní prostředí Tecla domu

9. Výzkum a výhledy do budoucna

Za nejodvážnější projekty v oblasti výzkumu pro udržitelnou architekturu a stavebnictví můžeme považovat výzkumy, které se zabývají osídlením jiných planet naší sluneční soustavy (převážně planeta Mars). Tyto projekty využívají nekonvenční technologie pro stavbu struktur za využití lokálních materiálů. Nejprogresivnější metodou dneška je autonomní aditivní výroba, jelikož jakékoliv větší množství komodit pro přepravu je kvůli obrovské vzdálenosti neekonomické a logisticky obtížné. Při návrhu struktury se využívají moderní simulace interakce vnitřního a venkovního prostředí, které je extrémní a pro člověka nehostinné. Výsledkem je co nejvhodnější struktura pro danou modelovou situaci. Více příklad od EOC a projekt 3D printed Mars habitat [9], viz Obr. 12.

Obr. 12: 3D tištěná struktura na Marsu

Obr. 13: 3D print Mars habitat, autonomní technologie 3D tisku

Autoři o projektu říkají: Design Hassella a Eckersley O‘Callaghan (EOC) pro lidské obydlí na Marsu zkoumáme, jak by mohly být technologie autonomního 3D tisku použity k zajištění bezpečných, pohodlných a efektivních domácností na rudé planetě. Využívá se lokální materiál, který je robotickým vozítkem vytěžen, následně slinován a poté vytlačen (Obr. 13). Růst struktury probíhá kontrolovaným nanášením vrstev materiálů o stejné výšce. K této technologii je vždy velice důležité mít připraven relevantní CAD model [1]. Navrhovaný koncept struktury stanoviště se skládá ze 2 systémů. Lehké nafukovací moduly jsou nasazeny jako rekonfigurovatelný rámec pro specifické programové požadavky a poskytují umělou atmosféru, která by udržela život astronautů. Jedná se o design ve spojení se strukturou skořepiny pouze pro kompresi, kterou navrhl Eckersley O’Callaghan a která bude autonomně 3D vytištěna pomocí marťanského regolitu k ochraně modulů před vysokými úrovněmi záření [9], (viz Obr. 13, 14, 15).

Obr. 14: 3D print Mars habitat, rozložená axonometrie obytné struktury

Obr. 15: Autonomní vertikální farmy pokrývající obživu obytel

Obr. 16: Projekt Biom je struktura pro výrobu vody a obživy do megapolí

Futuristické projekty řešící akutní nebo výhledové očekávané problémy společenské, environmentální či ekonomické často využívají aditivní výrobu. Za použití současných technologií by stavby ztratily svou ekonomickou, materiálovou i tvarovou proveditelnost. Příkladem může být například diplomová práce Biom z FA, VUT v Brně, 2021 [10], viz Obr. 16, 17.

Obr. 17: Projekt Biom, detail konstrukce stonku a postup výstavby

10. Současný výzkum FA VUT v Brně

Možnostmi 3D tisku z přírodních, ekologických materiálů se uceleně zabývají studenti FA VUT v Brně v rámci projektu fakultního specifického výzkumu „Hlína pro lidi. Ekologické a ekonomicky příznivé komunitní stavby z nepálené hlíny.“. Projekt je zaměřen na různé aspekty komunitního stavění z nepálené hlíny a jedním z těchto aspektů je možnost využití moderních technologií aditivní výroby. Cílem je ověřit materiálové vlastnosti nepálené hlíny pro automatizované vrstvení stavebních konstrukcí. Kromě výběru a přípravy materiálu bude ověřena i technologie vrstvení za pomoci robotů kompaktních rozměrů. Tvar, funkčnost a autonomní chování těchto robotů je také součástí projektu a bude řešeno ve spolupráci s kolegy z dalších fakult VUT v Brně. Projekt je připraven na 3 roky a pracovat v něm bude 9 studentů/studentek a 9 akademických pracovníků/pracovnic po dobu 3 let [11].

11. Závěr

Dynamicky se měnící požadavky na současné stavebnictví přispívají k rozšiřování aditivní výroby. S tím ale musí přijít i změna výrobních procesů a úprava struktur, ideálně za pomoci moderních designových nástrojů. Největší potenciál aditivní výroby se jeví v oblasti přírodních materiálů, které jsou zároveň odpovědí na současné výzvy ve stavebnictví (nízká uhlíková stopa, recyklovatelnost a minimalizace ekologické a ekonomické zátěže). Jako vhodná technologie se jeví 3D tisk materiálů na bázi vrstvené hlíny. V této oblasti probíhá výzkum na FA VUT v Brně zaměřený na složení a způsob nanášení vrstvené směsi a možnosti použití kompaktních autonomních robotů vhodných pro aditivní výrobu. Součástí výzkumu je také analýza již postavených objektů z hlediska technologie, použitého materiálu, ceny a reálného chování během životního cyklu stavby.

12. Literatura

1. BĚHAL Jiří, Průmysl 4.0 – Aditivní výroba v České republice: Diplomová práce [online]. Vysoká škola ekonomická v Praze, 2020 [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://insis.vse.cz/zp/portal_zp.pl?podrobnosti_zp=73833
2. GRIFFIN Matthew, WHY THIS MATTERS IN BRIEF: Architects are faced with lots of monotonous tasks, and this new AI tool will help eliminate a lot of the grunt work. [online]. 2018 [cit. 2021-10-18]. Dostupné z:
   https://www.311institute.com/this-ai-will-design-your-house-over-and-over-again/
3. Elizabeth Palermo, What is Laminated Object Manufacturing? [online]. 2013, 2013[cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://www.livescience.com/40310-laminated-object-manufacturing.html
4. Mohamed Gomaa, Jim Carfrae, Steve Goodhew, Wassim Jabi & Alejandro Veliz Reyes (2019) Thermal performance exploration of 3D printed cob, Architectural Science Review, 62:3, 230-237,
   https://doi.org/10.1080/00038628.2019.1606776
5. RUDLA, Jakub. Aktuální problémy implementace principů Průmyslu 4.0 [online]. Západočeská univerzita v Plzni, 2018 [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://otik.zcu.cz/handle/11025/31346
6. SHER, David. First 3D printed office building opens in Dubai [online]. Praha, 2016 [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://www.3dprintingmedia.network/first-3d-printed-office-building-inaugurated-in-dubai/
7. TRPÁK Michal, TRPÁK Ladislav,VELE Jiří a NOVÁKOVÁ Kateřina. Prvok, první 3D tištěný dům v ČR [online]. Praha, 2021n. l. [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://www.prvokodburinky.cz
8. CUCINELLA, Mario, Massimo MORETTI a Alberto CHIUSOLI. Tecla house [online]. Itálie, 2021 [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://www.3dwasp.com/casa-stampata-in-3d-tecla/
9. Xavier De Kestelier, Jonathan Irawan, Shawn Wu, Xuanzhi Huang, Nikolaos Argyros, David Brown (Hassell); Ben Lewis , Sam Gregson (Eckersley O’Callaghan), NASA 3D Printed Habitat Challenge. Www.hassellstudio.com [online]. 2018, 2018 [cit. 2021-10-18]. Dostupné z: https://www.hassellstudio.com/project/nasa-3d-printed-habitat-challenge
10. BOLCEK, Roman. Biom [online]. Brno, 2021 [cit. 2021-10-26]. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/handle/11012/199709. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta architektury. Ústav experimentální tvorby. Vedoucí práce Jiří Vítek.
11. Projekt specifického výzkumu, FA-S-21-7541 „Hlína pro lidi. Ekologické a ekonomicky příznivé komunitní stavby z nepálené hlíny.“, Fakulta architektury, VUT v Brně. https://www.vut.cz/vav/projekty/detail/32785

13. Zdroje obrázků

• (1)  PROF. DR. DILLENBURGER, Benjamin. The future of architecture: 3D printing: Methods of construction have surprisingly barely evolved (Photo: © Tom Mundy, ETH Zürich). Www.lgt.com [online]. ETH ZURICH, 2020 [cit. 2021-10-25]. Dostupné z: https://www.lgt.com/en/magnet/lifestyle/the-future-of-architecture-3d-printing-00001/#button2
• (2)  MEAN, architects. Mawj investigates the possibilities of 3D printed furniture/Image Source: MEAN Design. Manufactur3dmag.com [online]. 2021 [cit. 2021-10-29]. Dostupné z: https://manufactur3dmag.com/mawj-a-3d-printed-armchair-investigates-possibilities-of-robotic-3d-printing-of-bespoke-furniture/
• (3)  JULIEN, Sas. 7 AXIS MACHINING ROBOT. Https://juliensa.com [online]. France, 2021 [cit. 2021-10-25]. Dostupné z: https://juliensa.com/en/home/our-company/machining-department/
• (4)  Mohamed Gomaa, Jim Carfrae, Steve Goodhew, Wassim Jabi & Alejandro Veliz Reyes (2019) Thermal performance exploration of 3D printed cob, Architectural Science Review, 62:3, 230-237,
  https://doi.org/10.1080/00038628.2019.1606776
• (5)  Mohamed Gomaa, Jim Carfrae, Steve Goodhew, Wassim Jabi & Alejandro Veliz Reyes (2019) Thermal performance exploration of 3D printed cob, Architectural Science Review, 62:3, 230-237,
  https://doi.org/10.1080/00038628.2019.1606776
• (6)  DISTASIO, Cat. Dubai debuts world's first fully 3D-printed building. Https://inhabitat.com [online]. Dubai, 2016 [cit. 2021-10-25]. Dostupné z:
  https://inhabitat.com/dubai-debuts-worlds-first-fully-3d-printed-building/uae-dubai-office-of-the-future-03-2/
• (7)  TRPÁK Michal, TRPÁK Ladislav,VELE Jiří a NOVÁKOVÁ Kateřina. Prvok, první 3D tištěný dům v ČR [online]. Praha, 2021n. l. [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://www.prvokodburinky.cz
• (8)  TRPÁK Michal, TRPÁK Ladislav,VELE Jiří a NOVÁKOVÁ Kateřina. Prvok, první 3D tištěný dům v ČR [online]. Praha, 2021n. l. [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://www.prvokodburinky.cz
• (9)  CUCINELLA, Mario, Massimo MORETTI a Alberto CHIUSOLI. Tecla house [online]. Itálie, 2021 [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://www.3dwasp.com/casa-stampata-in-3d-tecla/
• (10) CUCINELLA, Mario, Massimo MORETTI a Alberto CHIUSOLI. Tecla house [online]. Itálie, 2021 [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://www.3dwasp.com/casa-stampata-in-3d-tecla/
• (11) CUCINELLA, Mario, Massimo MORETTI a Alberto CHIUSOLI. Tecla house [online]. Itálie, 2021 [cit. 2021-10-24]. Dostupné z: https://www.3dwasp.com/casa-stampata-in-3d-tecla/
• (12) Xavier De Kestelier, Jonathan Irawan, Shawn Wu, Xuanzhi Huang, Nikolaos Argyros, David Brown (Hassell); Ben Lewis , Sam Gregson (Eckersley O’Callaghan), NASA 3D Printed Habitat Challenge. Www.hassellstudio.com [online]. 2018, 2018 [cit. 2021-10-18]. Dostupné z: https://www.hassellstudio.com/project/nasa-3d-printed-habitat-challenge
• (13) Xavier De Kestelier, Jonathan Irawan, Shawn Wu, Xuanzhi Huang, Nikolaos Argyros, David Brown (Hassell); Ben Lewis , Sam Gregson (Eckersley O’Callaghan), NASA 3D Printed Habitat Challenge. Www.hassellstudio.com [online]. 2018, 2018 [cit. 2021-10-18]. Dostupné z: https://www.hassellstudio.com/project/nasa-3d-printed-habitat-challenge
• (14) Xavier De Kestelier, Jonathan Irawan, Shawn Wu, Xuanzhi Huang, Nikolaos Argyros, David Brown (Hassell); Ben Lewis , Sam Gregson (Eckersley O’Callaghan), NASA 3D Printed Habitat Challenge. Www.hassellstudio.com [online]. 2018, 2018 [cit. 2021-10-18]. Dostupné z: https://www.hassellstudio.com/project/nasa-3d-printed-habitat-challenge
• (15) Xavier De Kestelier, Jonathan Irawan, Shawn Wu, Xuanzhi Huang, Nikolaos Argyros, David Brown (Hassell); Ben Lewis , Sam Gregson (Eckersley O’Callaghan), NASA 3D Printed Habitat Challenge. Www.hassellstudio.com [online]. 2018, 2018 [cit. 2021-10-18]. Dostupné z: https://www.hassellstudio.com/project/nasa-3d-printed-habitat-challenge
• (16) BOLCEK, Roman. Biom [online]. Brno, 2021 [cit. 2021-10-26]. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/handle/11012/199709. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta architektury. Ústav experimentální tvorby. Vedoucí práce Jiří Vítek.
• (17) BOLCEK, Roman. Biom [online]. Brno, 2021 [cit. 2021-10-26]. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/handle/11012/199709. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta architektury. Ústav experimentální tvorby. Vedoucí práce Jiří Vítek.

Poděkování

Článek vznikl za podpory projektu specifického výzkumu Fakulty architektury, VUT v Brně FA-S-21-7541 „Hlína pro lidi. Ekologické a ekonomicky příznivé komunitní stavby z nepálené hlíny.“ [11]. https://www.vut.cz/vav/projekty/detail/32785