ICE Industrial Services je česká automatizačná spoločnosť pôsobiaca na trhu viac ako 10 rokov, ktorá sa venuje priemyselnej automatizácii a výrobe strojov na kľuč hlavne pre automobilový a drevársky priemysel. Po rokoch zbierania skúseností sa chceli posunúť ďalej, a preto hľadali oblasť, kde by ich vedeli využiť. „V stavebnom priemysle stále do značnej miery prevláda množstvo manuálnej práce. Materiál sa prenáša ručne a tehly sa skladajú na seba. Vo svete už existujú možnosti robotického prenášania materiálu. To nám však neprišlo príliš zaujímavé z pohľadu automatizácie, takže sme začali s 3D tlačou v stavebnom priemysle. Využili sme naše predošlé skúsenosti z oblasti priemyselnej automatizácie, robotizácie, procesného riadenia, zberu a vyhodnocovania údajov,“ predstavil stratégiu spoločnosti Dominik Stupka, vedúci 3D tlače v spoločnosti ICE Industrial Services.

Od návrhu po 3D tlač

Ako teda funguje 3D tlač? Jednoducho povedané, trojrozmerné prvky vznikajú procesom riadeným počítačom bez použitia debnenia. Pomocou veľkého tlačiarenského stroja sa betón extruduje vrstva po vrstve, aby sa vytvorili steny, základy, stĺpy, schody a iné stavebné prvky. „Technológia 3D tlače prináša úplnú renesanciu do návrhu stavieb,“ uviedol D. Stupka. Celý proces výstavby sa presúva viac do počítačov, do simulačných nástrojov, ako aj do prípravy ľudí s väčšou kvalifikáciou. Značná časť ľudskej práce je pri využití tejto technológie potrebná v oblasti návrhu, 3D modelovania a simuláciách. „Hrubú prácu robia stroje. Vytvárame ekosystém, vďaka čomu možno v počítači stavbu realizovať a navrhnúť všetky prvky, ktoré chceme, aby stavba mala. Stroj to vyrobí za nás bez potreby stavbárskej práce tvorenej ľuďmi,“ vysvetlil D. Stupka.

Kľúčovým prvkom je príprava dát pre 3D tlač. „Celý proces výstavby sa začína tak, že architekt alebo projektant navrhne 3D model objektu v nástroji, ktorý je určený pre architektov a bežne sa používa. Následne pomocou nášho softvéru premeníme 3D model objektu na dáta, aby ich tlačiarenský stroj dokázal čítať a pracovať podľa nich,“ dodal D. Stupka.

Po spracovaní dát pre 3D tlač dochádza k simulácií výstavby, vďaka ktorej predchádzajú komplikáciám, čo im umožňuje znížiť prestoje. „Stavbu realizujeme vo virtuálnom prostredí ešte predtým, ako sa fyzicky postaví. Pomocou simulácie vieme aj s ohľadom na nadväznosť procesov určiť, kde je najvhodnejšie začať stavať, vieme simulovať aj meniace sa podmienky počasia, ktoré vplývajú na tlač. Ráno je chladnejšie, cez deň je teplejšie. Simuláciou 3D tlače vieme určiť optimálnu polohu tlačiarenského stroja tak, aby sa minimalizovala potreba presunov stroja. Simulácia nám tiež určí, kde je najvhodnejšie stavbu rozdeliť, pretože tlačiarenský stroj nedokáže vytlačiť objekty s rozmermi väčšími ako 10 x 10 m. Takisto prebieha simulácia statických vlastností stavby, sleduje sa únosnosť stavby v konkrétnych bodoch, aby sa predišlo zrúteniu konštrukcie,“ načrtol D. Stupka. Simulácia je preto považovaná za ďalší kľúčový prvok k tomu, aby sa mohla technológia 3D tlače preniesť do bežnej praxe. V závislosti od projektu možno zvoliť medzi prefabrikovanou výrobou, podobne ako sa vo výrobných halách vyrábajú betónové bloky, alebo tzv. on-site výrobou, teda priamo na mieste výstavby.

Vlastnosti zmesi sa každý deň menia

Prefabrikovaná výroba v porovnaní s výrobou na mieste stavby sa líši v technologickom postupe spracovania tlačiarenskej zmesi. V prípade výroby v hale sa tlačiarenská zmes priváža z miestnej betonárky v domiešavači. „Vlastnosti tlačiarenskej zmesi sa každý deň menia. Materiál pripravovaný na betonárkach má nižšiu konzistenciu. Preto sú pre nás riadenie a riadiaci systém 3D tlače veľmi dôležité. 3D tlačiareň je osadená desiatkami snímačov, meracích prvkov, ventilov a pohonov. Vytvorili sme matematický model správania tlačiarenskej zmesi a aplikovali ho do riadiaceho systému. Preto vieme v reálnom čase vyhodnocovať vlastnosti tlačiarenskej zmesi a prispôsobovať tomu riadenie,“ vysvetlil ďalej D. Stupka.

Pripravenie 3D tlačiarne v hale na prevádzku, ako aj uvedenie do prevádzky je otázkou 20 až 30 minút. „Obsluhujúci personál má vo svojom tablete tlačiarenské dáta a súbory, ktoré obsahujú inštrukcie pre tlačiareň. Nahratím týchto súborov do systému sa vykoná nábeh výroby, spustí sa testovacia tlač a môžeme vyrábať,“ doplnil D. Stupka.

Tlačiareň na kolesách

Výroba priamo na mieste je iná v spôsobe realizácie stavby, ale aj pri príprave stavebného materiálu. „Naším riešením je mobilná tlačiareň, ktorá je na podvozku a je schopná prechádzať autonómne. Štartovacím bodom pre nás je základová doska, ktorá sa vytvorí konvenčnými metódami. Na stavbe potom dochádza k rozmeraniu objektu. Pomocou laserového zameriavača sa vyznačia na základovej doske pozície, kde má byť výsledný objekt postavený, ktoré sme získali zo simulácie výstavby. Okrem toho simulácia určí optimálnu pozíciu na umiestnenie tlačiarenského stroja tak, aby bol vytlačený celý objekt v potrebných rozmeroch,“ priblížil D. Stupka.

Vo svete sa často používajú tzv. portálové tlačiarne podobné halovému žeriavu, ktoré treba prevážať v niekoľkých kamiónoch. Ich nevýhodou je to, že ich treba postaviť a ukotviť na špeciálnych základoch. „Mobilná tlačiareň nepotrebuje podporné konštrukcie a aj keď dokáže obslúžiť menší tlačiarenský priestor v porovnaní s portálovými tlačiarňami, je pripravená v priebehu niekoľkých minút tlačiť,“ doplnil D. Stupka.

Tlačiarenská zmes sa nepripravuje v betonárke ani sa nedováža na stavbu v domiešavačoch s betónom. „Používame mobilné betonárky, ktoré pripravujú tlačiarenskú zmes priamo na mieste stavby. Je to auto, ktoré si vezie potrebné suroviny a mieša betón podľa potreby. Má to svoje výhody. Pokiaľ si objednáte domiešavač plný betónu a z nejakého dôvodu potrebujete prestať tlačiť, vyprodukujete veľké množstvo odpadu. Betón nemožno odložiť na ďalší deň, pretože doba spracovania je dve až tri hodiny v závislosti od podmienok,“ objasnil D. Stupka.

Robot pre nás nie je kľúčový

Podoby 3D tlačiarní sa vo svete líšia. V laboratóriách sa využívajú malé prenosné tlačiarne, v priemysle sú to mohutné portálové tlačiarne a roboty, ktoré majú na konci svojho ramena umiestnené nástroje umožňujúce nanášanie betónu vrstvu po vrstve. 3D tlačiareň, ktorú v spoločnosti používajú, sa skladá z robota a technológie na spracovanie tlačiarenskej zmesi. A práve technológia spracovania tlačiarenskej zmesi je pre nich kľúčová. „Z betónu, ktorý si objednávame v betonárke, nemožno tlačiť 3D. Aby to bolo možné, treba do betónu pridať aditíva. Robot má na konci svojho ramena umiestnenú tlačiarenskú hlavu, v ktorej dochádza k miešaniu základného vstupného materiálu s aditívami, ktoré umožňujú, aby z betónu bolo možné tlačiť rôzne objekty,“ uviedol D. Stupka.

Druhou časťou systému je samotná 3D tlačiareň, konštrukcia alebo robot, na ktorej sa tlačiarenská hlava pohybuje. „Samotný robot v tomto prípade nie je podstatný, aj keď stále ostáva dôležitý. Dôležitá je technológia spracovania betónu a to, či ju nosí robot výrobcu A alebo B, nie je dôležité. Robot je pre nás iba transportér tlačiarenskej hlavy. Je to také chemické laboratórium, v ktorom prebiehajú pre nás najdôležitejšie procesy. Obsahuje snímače, ktoré v reálnom čase vyhodnocujú podmienky, ako je teplota, vlhkosť, tlak a iné ukazovatele,“ vysvetlil D. Stupka.

Do primárneho materiálu, betónu, sa pridávajú aditíva, ktoré umožňujú jeho spracovanie v podmienkach 3D tlače. Spolu s technológiou na spracovanie tlačiarenskej zmesi možno predchádzať predčasnému tvrdnutiu betónu alebo prehrievaniu. „Vďaka tejto technológii vieme reagovať napríklad na zmenu teploty, pretože aj tá najmenšia zmena počasia má výrazný vplyv na podmienky tlače. Tlačiarenská hlava je schopná vyhodnocovať, riadiť a regulovať proces 3D tlače niekoľkokrát sa sekundu a to nemožno realizovať v hlavách ľudí,“ spresnil D. Stupka.

Stavebná technológia, ktorá dáva priestor kreativite

Pri stavbe z tehál možno predpokladať, že výsledná stavba bude mať tvar obdĺžnika alebo štvorca. Avšak pri 3D tlačených objektoch majú architekti možnosť navrhnúť akékoľvek telesá rôznych geometrických tvarov. S ohľadom na tieto početné výhody spoločnosť už realizovala projekty ako interiérové a exteriérové doplnky do vily Tugendhat Brno, prototypy moderných nabíjacích staníc pre elektromobily v spolupráci so spoločnosťou IONT Tech, bunker umiestnený v záhrade umelecko-priemyselného múzea v Prahe, ako aj bunker dodaný na Ukrajinu. V priebehu roka 2023 chcú dosiahnuť ďalší míľnik, a to postaviť prvý certifikovaný rodinný dom pomocou 3D tlače z betónu, ktorý bude spĺňať všetky prísne stavebné požiadavky. Realizované objekty tak demonštrujú potenciál 3D tlače z betónu.

Na ceste k udržateľnosti

Hoci k tomu, aby bola 3D tlač 100 % ekologická, je ešte dlhá cesta, určite ponúka environmentálne výhody, najmä v porovnaní s konvenčnými metódami. Technológia 3D tlače umožňuje použiť presné množstvo materiálu potrebného na výstavbu, čím sa v konečnom dôsledku minimalizuje spotreba betónu. „Pred 3D tlačou vykonávame statickú simuláciu konštrukcie, na základe ktorej vyhodnocujeme silové namáhanie konštrukcie. Na mieste väčšieho zaťaženia dáme viac materiálu a tam, kde je namáhanie minimálne, dáme betónu menej. To je veľký prvok úspor,“ uviedol D. Stupka. Používaním menšieho množstva materiálov, vytváraním menšieho množstva odpadu, znižovaním prepravy a potenciálnym využívaním recyklovaných materiálov môžu tlačené budovy dramaticky znížiť uhlíkovú stopu. „Spolupracujeme so spoločnosťou, ktorá spracúva popol z priemyselných vysokých pecí a momentálne hľadáme spôsob, ako čo najlepšie využiť tento odpadový materiál pri príprave betónu. Vo všeobecnosti sa snažíme vymyslieť taký prístup, aby sme v tlačiarenskej zmesi nahradili cement niečím iným, ekologickejším,“ doplnil D. Stupka.

Každá stavba má svoj „rodný list“

Počas 3D tlače sa zozbiera obrovské množstvo údajov, a preto sa vie o každej sekunde tlače. „Zákazník vie o každej sekunde tlače stavebného prvku. Každú sekundu vieme premietnuť na konkrétne miesto tlačeného objektu. Vieme povedať, kedy sa dané miesto tlačilo, aké mala tlačiarenská zmes vlastnosti, aká bola jej teplota, koľko aditív obsahovala. Spätne možno vyhodnotiť, či nedošlo pri tlači k technologickým anomáliám. To nahráva vyššej bezpečnosti a životnosti,“ vysvetlil D. Stupka. Po vytlačený objektu dochádza k jeho označeniu identifikačným prvkom, ktorý možno načítať čítačkou a zistiť informácie o tom, kto ho vyrobil, ako ho vyrobil, na základe akého modelu a aké mala tlačiarenská zmes vlastnosti.

Nižšie emisie z dopravy

Stavebné prvky vyrobené technológiou 3D tlače vyžadujú oveľa menšie náklady na dopravu ako tradične postavené domy. Zamyslite sa nad všetkými samostatnými dodávateľmi, subdodávateľmi a inými zainteresovanými stranami, ktoré sa na tradičnej výstavbe v priebehu niekoľkých mesiacov zúčastňujú. Na rozdiel od toho 3D tlač objektov zvyčajne vyžaduje obmedzené vybavenie a prepravu, čo výrazne znižuje produkovanie uhlíka počas výstavby. „V celosvetovom meradle sa na 3D tlač používajú zmesi, ktoré sú vrecované. Zmes treba pred zabalením do vriec vysušiť, čo je energeticky náročný proces. Navyše je to aj logisticky veľmi neefektívne. Zmesi sa vyrábajú na rôznych miestach, jedna v Holandsku, druhá v Taliansku. Na ich prepravu do Českej republiky musíme vypraviť niekoľko kamiónov. Preto používame tlačiarenskú zmes, ktorá je produkovaná bežnými dodávateľmi betónu,“ doplnil D. Stupka.

Zníženie množstva stavebného odpadu

Azda najvýznamnejším krokom k udržateľnosti v oblasti 3D tlače je možnosť tlačiť akékoľvek objekty s takmer nulovým odpadom. Pri výstavbe objektov konvenčnými metódami sa produkuje množstvo odpadu, tehly sa ukladajú na seba, vylievajú betónom a vzápätí sa búrajú, pretože treba zaviesť elektrinu, kúrenie a rozvody vody. Za tým je časť práce, spotrebovaný materiál a vyprodukovaný odpad. „Cieľ, ktorý chceme dosiahnuť s technológiou 3D tlače, je výstavba rodinných domov. Preto sa snažíme ísť čo najviac od základov a zmeniť celé uvažovanie nad tým, ako sa stavba realizuje. Vyvíjame architektonicko-projekčný štandard, ktorý dá ucelený balík konštrukčných prvkov, ako pomocou tejto technológie čo najefektívnejšie postaviť dom s rozvodmi, elektrinou, tepelnou izoláciou a podobne. Nenahrádzame tehly tlačeným betónom, meníme architektúru a prístup k návrhu tak, aby bolo zmysluplné využiť technológiu 3D tlače na výstavbu domov,“ uzavrel náš rozhovor D. Stupka.

Ďakujeme spoločnosti ICE Industrial Services za možnosť realizovať reportáž a Dominikovi Stupkovi za poskytnuté odborné informácie.