Dům z tiskárny? Tým vědců vyvíjí robota pro 3D tisk ve stavebnictví

Testovací zařízení pro stavební 3D tisk brzy zamíří do Kloknerova ústavu. Část týmu z FM jej proto nyní demontuje. V popředí vlevo Václav Záda, vpravo Leoš Beran z FM.

Naše univerzita usiluje o světový průlom na poli 3D tisku ve stavebnictví. Pracuje na vývoji unikátního robotického zařízení, které se přemisťuje po rozlehlém staveništi a má být schopné tisknout bez bednění.

Na projektu 3D Star, jehož cílem je metoda postupného tisku rozsáhlejších a také vícepodlažních budov přímo na místě, spolupracují čtyři fakulty. Testy robotického zařízení už začaly a univerzita usiluje o patentovou ochranu technologie.

3D tisk se dnes uplatňuje v řadě odvětví, ve stavebnictví je ale zatím ve fázi pokusů. Existují jen experimentální stavby často sestavené z prefabrikátů vytištěných ve výrobní hale.

Stroj má umět tisknout i stropy

Jiří Suchomel z Fakulty umění a architektury TUL upozorňuje na to, že ve světě užívané dostupné průmyslové roboty neřeší tisk stropů a střešních konstrukcí. „My chceme navrhnout unikátní mobilní robotické zařízení, které se přemisťuje po staveništi a postupně tiskne svislé i vodorovné konstrukce,“ řekl profesor Suchomel.

Vědci z Technické univerzity v Liberci se nyní zabývají vývojem vlastního robotického zařízení (hardwarové i softwarové části) a principů jeho navigace.

3D tiskárnu přivezou přímo na staveniště

Tisk by měl být převratně možný přímo na staveništi. Profesor Suchomel hovoří o „ambulantním tisku“ za pomoci pohyblivého robotu. Zařízení půjde na staveniště převézt bez použití robustních nákladních aut.

Vědecký tým se zaměřuje na komplexní vývoj celého 3D tiskového procesu. V něm nebude zapotřebí bednění ani doprava prefabrikátů, což ulehčí životnímu prostředí a stavbu zlevní.

Výzkumný úkol řeší společně vědecké týmy z fakult umění a architektury, textilní, strojní (FS) a mechatroniky, informatiky a mezioborových studií (FM). Zapojily se i Ústav teorie informace a automatizace AV ČR, v.v.i., a Kloknerův ústav na ČVUT Praha. Jeho odborníci pracují na vývoji vhodných tiskových betonových směsí a otestují tisk stavebních konstrukcí na pokusném zařízení TestBed.

Sestrojené zařízení míří na testy do Kloknerova ústavu

Toto zařízení pro testování směsí a tvarů tištěných objektů zkonstruoval tým FM a FS. Prošlo už také předběžným ověřením schopností tisku ve fakultní laboratoři. Protože tam ale není možné tisknout vyšší konstrukce, odjíždí stroj v pondělí 18. května na mnohaměsíční testování do Kloknerova ústavu.

„Tam bude stroj sestaven na nové podstavce do výšky asi 130 centimetrů, aby mohl tisknout takto vysoké objekty. V tomto specializovaném pracovišti se budou zabývat praktickými experimenty s tiskem betonových konstrukcí. Mimo jiné se tam budou zabývat vyvojem cementové směsi a vhodných konstrukcí pro tisk. Materiál je alfou a omegou tohoto tisku. Musí totiž tuhnout dostatečně rychle, aby se vrstvy nebortily, ale zároveň, aby se spojovaly,“ nastínil za vědecký tým FM Leoš Beran.

Petr Zelený z fakulty strojní (vlevo) a Jiří Suchomel z fakulty umění a architektury v laboratoři u tiskové hlavy zkušebního TestBedu. Foto: Jaroslava Kočárková

Detail tiskové hlavy TestBedu.

Vědci zatím zkonstruovali model v měřítku 1:4, na němž probíhají testy řídicích algoritmů. Docent Václav Záda z FM je jedním z hlavních autorů tiskového robota.

více fotek (2)

„Protože jsou betonové směsi hrubší, potřebujeme, aby se tiskla větší stopa a i větší objem materiálu. Zapotřebí je proto funkční tryska o průměru tří až pěti centimetrů. Její funkčnost budou kolegové v Kloknerově ústavu na ČVUT na TestBedu ověřovat. Podrobí zkouškám celé zařízení, průběh tisku i mechanické vlastnosti částí vytištěných z různých typů směsí,“ vysvětlil Petr Zelený, vedoucí katedry výrobních systémů a automatizace FS TUL.

Na FS řeší nyní mimo jiné konstrukci tiskové hlavy. Bude sloužit pro vytlačování tiskové cementové směsi. „Máme postavenou první verzi, která je na TestBedu. Teď finalizujeme konstrukční návrh druhé verze. K úpravám na konstrukci dochází, jak se postupně seznamujeme s problematikou tiskových směsí – jejich tekutostí nebo rychlostí tuhnutí,“ popsal Petr Zelený.

Tisk na stavbě zajistí posuvné robotické rameno

TestBed na portálové konstrukci je navržen tak, aby odolal vlhkému a prašnému prostředí. Pro tisk přímo v místě stavby ale bude zapotřebí vlastní otočné a posuvné robotické rameno. Vědci ho sestrojí, zatím v měřítku 1:2, ve druhé polovině projektu. Bude mít dosah 2,8 metru. Robot bude vybaven samohybným podvozkem a závěsem, aby jej mohl přemisťovat jeřáb. Na vývoji tohoto robota fakulty pracují.

Rameno použitelné v reálu na stavbách má v budoucnu zvládnout tisk až do vzdálenosti 5,6 metru. Výška tisku bude možná do 3,2 metru. K jeho vývoji ale bude zapotřebí nový projekt a zapojení investorů.

Možnosti ověřuje testovací model

Vědci zatím zkonstruovali model v měřítku 1:4. Na něm probíhají testy řídicích algoritmů. Členové týmu si už ověřili, že rameno (rozšířená scara struktura) dokáže vytisknout jakkoliv zakřivený tvar. „Architekti požadují, aby bylo možné tisknout stěny s prakticky libovolnou půdorysnou křivostí, která se může velmi rychle měnit. Včetně přerušování tisku a vzniku ostrých zlomů,“ upřesnil Václav Záda z FM, jeden z hlavních autorů tiskového robota.

"Výhodou této konstrukce je, že když je potřeba na krátkou chvíli zastavit koncový efektor, například v bodě zlomu, mohou se ostatní články robota po tu krátkou dobu stále pohybovat. Takže se neztrácí jejich kinetická energie. To ostatní stroje neumí," vysvětlil docent Záda.

Tým chce tisknout odlehčené skořepinové struktury a dosáhnout tiskové přesnosti dvou až tří milimetru. Taková přesnost není ve stavebnictví běžná. Jde o velmi ambiciózní cíl.

„Výroba cementu představuje velkou zátěž pro životní prostředí, a navíc nám docházejí potřebné suroviny, jako je kamenivo a štěrky. My chceme stavět lehké tenkostěnné betonové a nekonvenčně vyztužené konstrukce, které spotřebu materiálu značně sníží,“ přiblížil profesor Suchomel. Očekává, že podobný tisk přinese do architektury i větší rozmanitost: „Tato technologie totiž umožňuje tisk komplikovaných tvarů a dokáže vyhovět i náročným a neobvyklým požadavkům.“

Vytisknuté díly se sestaví jako »Lego«

Podle Jiřího Suchomela se díky 3D tisku budou objekty sestavovat z jednotlivých částí jako velké Lego. „Některé části konstrukce, zejména svislé stěny, budeme umět vytisknout v konečném umístění. Vodorovné části vytiskneme na zemi a přeneseme na místo. Vše přímo na staveništi,“ předjímá profesor Suchomel.

Podle něj bude ale zapotřebí vyřešit také otázku legislativy. Dodnes totiž neexistují stavební předpisy pro tištěné konstrukce.

Na projekt liberecké univerzity 3D Star plynou peníze z Operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělávání. Předaplikační výzkum získal 72, 6 milionu korun. Příspěvek z EU činí 61, 7 milionu. Projekt očekává návaznost na Operační program Podnikání a inovace pro konkurenceschopnost. Ten už řeší zavedení výsledků vývoje na trh a tisknutí skutečných domů. Nezbytné by pak bylo nalezení ekonomicky silného průmyslového partnera.

Adam Pluhař