3D tisk staveb 05: Princip fungování 3D tiskáren

12.9.4

3D tisk staveb 05: Princip fungování 3D tiskáren

Ing. Bohumír Číhal

3D tisk ve stavebnictví představuje zajímavou a potenciálně zásadní změnu v tradičním způsobu stavění. Potenciál této revoluční výrobní techniky spočívá v její schopnosti konstruovat libovolné geometrické tvary bez omezení formou, což minimalizuje plýtvání materiálem a zároveň zvyšuje výkon a výsledky. Může zahrnovat buď použití 3D tiskárny připojené k pohybovému zařízení, které aktivně staví projekt na místě, nebo použití tiskáren v továrně vyrábějící součásti stavebního projektu, které se následně sestavují dohromady.

Technologie 3D tisku postupně pronikala do řady oblastí, značného rozšíření dosáhly v tisku zmenšených architektonických modelů, následovalo využití ve stavební výrobě samotné, a to v kompletačních konstrukcích (tisk topologicky optimalizovaných styčníků fasád, obkladových a podhledových panelů, příp. příčkovek), v interiérech (tisk atypických svítidel nebo mobiliáře) i v systémech TZB (atypické vodovodní baterie). Vývoj v konstrukci tiskáren umožnil tisk celých objektů pozemních staveb. V oblasti inženýrského stavitelství jde o konstrukce mostů.

Tiskové zařízení se v principu neliší od stolní inkoustové tiskárny. Projekt v 3D programu – model k vytištění – jde do postprocesoru, který přeloží geometrii do CNC (Computer Numerical Control) kódu. Řídicí systém jej používá při řízení strojů (ponejvíce ve strojírenství pro obrábění kovů, dřeva apod.).

Jedná se o stejný postup jako u stolních tiskáren, jen je kód o něco složitější, obsahuje více obslužných funkcí, které pokrývají zejména přípravu, dopravu a aktivaci tiskové hmoty. Pak nastupuje klasický systém řízení, který rozděluje jednotlivé pokyny řídícímu programu (např. systému Sinumerik a PLC). Činnost tiskárny je, analogicky s CNC obráběcími centry, ovládána pomocí G-kódu.

G kódy jsou zejména určené pro programování dráhy nástroje v prostoru kartézských souřadnic (dané výkresem konstruktéra obrobku a stanovením dalších požadavků). Třeba upozornit, že výrobci CNC strojů nedodržují vždy zavedená pravidla a jednotlivé G-kódy využívají různí výrobci v naprosto odlišných významech.

Tiskárna podle daných instrukcí vstřikuje materiál na podložku a vrství jednotlivé úrovně do konečné podoby nebo předem uložené vrstvy spojuje. Používá k tomu tekuté kovy, plasty, cement a řadu dalších materiálů, které následně zchladnou, vyschnou nebo se vytvrdí a vytvoří tak konstrukci.

Pro 3D tisk jsou využívány dvě základní metody 3D tisku: vytlačováním tiskového materiálu a spojováním kameniva.

 NahoruTisk vytlačováním tiskového materiálu

Tisk vytlačováním cementové malty je nejběžnější tisková technologie ve stavebnictví, je obdobou nejrozšířenější metody 3D tisku pro plast tavním nanášením. Hmota pro 3D tisk není klasickým betonem (ve smyslu ČSN EN 206+A2), ale spíše cementovým kompozitem, pastou nebo maltou (dále uvádíme název cementová malta). 

 NahoruJak tiskárny fungují

Práce 3D tiskáren spočívá ve vytlačování určité směsi po jednotlivých vrstvách na základě trojrozměrného počítačového modelu.

Připravená kombinace cementu, plniva, změkčovadla a dalších látek se vkládá do zásobníku zařízení a přivádí se do tiskové hlavy. Směs je nastříkána na povrch určeného místa nebo na dříve natištěné vrstvy. Takto funguje většina stavebních 3D tiskáren. Existují tři druhy zařízení pro 3D tisk:

• Portálové 3D tiskárny. Skládají se z rámu, tří portálů a tiskové hlavy. S její pomocí lze tisknout budovy po částech anebo jako celek.

• Tiskárny Delta. Nejsou omezeny trojrozměrným modelem a mohou vytvářet složitější formy. Tisková hlava je zavěšena na ramenech připevněných ke svislým vodicím lištám.

• Robotické tiskárny, které jsou doplněny robotem nebo sítí robotů, například průmyslovým manipulátorem vybaveným extrudery a řízeným počítačem.

 NahoruPožadavky na tiskový materiál

Technologie 3D tisku mají specifické požadavky na vlastnosti tiskové směsi, k nimž mezi jinými patří

• malá velikost maximálního zrna kameniva z důvodu snadného prostupu tryskou (průměr trysky se pohybuje u většiny projektů v řádu maximálně desítek milimetrů, maximální velikost zrna je tedy méně než 4 mm), resp. případných požadavků na vysoké rozlišení tisku,

• rychlé tuhnutí kvůli schopnosti vrstvy unést bez deformací vrstvu tištěnou nad ní,

• vysoký obsah příměsí (mikrosilika, křemičitý úlet, popílek apod.),

• vysoký obsah přísad jako jsou urychlovače a plastifikátory,

• nízký vodní součinitel,

• přidaná vlákna kvůli omezení smršťování.

Jako tiskový materiál může tiskárna využívat vedle cementových malt také sklo, nepálenou hlínu a různé typy plastů. Jejichž použití závisí na tiskové technologii. Existující projekty využívají geopolymery, hlínu, kov, plasty, stavební recyklát a kompozitní materiály často s příměsí umělých nebo skelných vláken. Velmi cenným tuzemským přínosem do světového výzkumu je projekt využívající geometrii minimálních ploch pro výplňovou strukturu sloupů na principu minimálních ploch a umožňující dosáhnout při tisku z kukuřičného plastu velmi slibných statických vlastností. 

Obr. č. 23: Vzorky sloupů vytištěné z plastu týmem VUT Brno

Metoda vytlačování spočívá v nanášení provazců tiskového materiálu, obvykle v horizontálních vrstvách, na podkladní konstrukci. Linie provazců vznikají vytlačováním připravené směsi plniva s pojivem a dalšími aditivy z trysky o průřezu v jednotkách desítek mm² v místě požadované tištěné konstrukce.

Při tisku je zásadní rychlý náběh únosnosti vrstev, aby vrstva byla schopna unést sama sebe a také být podporou návazné vrstvě, tištěné v dalším záběru nad ní, a to bez deformací. Tento problém je nejčastěji řešen řízeným urychlováním tuhnutí materiálu. V případě návazné vrstvy tento parametr závisí také na časovém intervalu mezi tiskem návazných vrstev, který může být ovlivněn délkou vrstvy samotné, ale také přestávkou mezi tiskem vrstev.

Problém nastává u konstrukcí se šikmými stěnami, který se u stolního 3D tisku z plastů řeší tiskem dočasných podpor, které se po vytištění celého výrobku odstraní. U tisku z cementové malty se tento problém nejčastěji řeší omezením úhlu stěn tištěných konstrukcí, které mohou být bez podpor tištěny svisle nebo s přesahem ve sklonech od svislice maximálně 45 °.

Jako příklad uvádíme technologii patentovanou pod názvem Contour Crafting (která se stala základem stejnojmenné firmy). Je založena na

• tiskové hlavě s třemi tryskami a hladítky, které upravují povrch tištěných konstrukcí,

• robotickém portálovém systému, nesoucím tiskovou hlavu a další pracovní nástroje,

• konstrukčním systému tvořeném vylehčenou konstrukci příhradové stěny a

• speciálním tiskovém materiálu na bázi cementové malty.

Obr. č. 24: Práce tiskové hlavy na konstrukci příhradové stěny

Součástí je i speciální systém, který s využitím robotické ruky osazuje překlady a ve formě srolované lamelové rohože i stropní konstrukce. Technologie umožňuje i vkládání rozvodů domovních instalací.

Nevýhodou se může jevit rozlišení tisku v řádu desítek mm a viditelnost vrstev, což u prvků se zvláštními požadavky na povrch vyvolává náklady na dodatečnou úpravu povrchu. Statické vyztužování prvků, limitující využití technologie pro ohybem namáhané konstrukce, se řeší ručním vkládáním výztuže během tisku. Některé projekty tuto skutečnost řeší tím, že využívají tištěnou konstrukci jako ztracené bednění pro klasickou monolitickou betonáž s vloženou výztuží. Tištěné ztracené bednění řeší minimální krytí výztuže a odstraňuje náklady na bednění a odbednění. Hlavní problém lze kromě obtížnosti dodatečného vyztužování např. vysokých sloupů a zakřivených tvarů spatřovat ve vroubkovaném povrchu takto vyrobené…