V rámci projektu na liberecké technice vzniká mobilní robotické zařízení, které se bude přemisťovat po staveništi
a zvládne tisknout svislé i vodorovné konstrukce. Jedná se o unikátní robotickou 3D tiskárnu řízenou systémem společnosti B&R. (O projektu jsme podrobně informovali v TT 7—8, str. 26—27).
Dosavadní zkušenosti z experimentů ve světě naznačují, že nasazení 3D tiskáren při stavbě domů v sobě ukrývá velký potenciál. Nabízí nové možnosti architektům a slibuje výrazný ekonomický efekt. To byly také důvody vzniku projektu Technické univerzity Liberec (TUL) s názvem 3D Star, jehož cílem je metoda postupného tisku rozsáhlejších a také vícepodlažních budov přímo na místě. Na jeho řešení se podílejí Ústav teorie informace a automatizace AV ČR a Kloknerův ústav ČVUT v Praze. Společnost B&R se podílí na dodávce řídicích systémů a pohonů pro vznikající zařízení.
VIZE ARCHITEKTŮ
Na začátku projektu stáli profesoři z Fakulty umění a architektury TUL s názorem, že současné stavební postupy s prefabrikovanými panely omezují jejich kreativitu.
„Výroba cementu představuje velkou zátěž pro životní prostředí, a navíc docházejí potřebné suroviny, jako je kamenivo a štěrky. My chceme stavět lehké tenkostěnné betonové a nekonvenčně vyztužené konstrukce, které spotřebu materiálu značně sníží,“ přibližuje hlavní záměr projektu prof. Ing. Arch. Jiří Suchomel, jeden ze zakladatelů Fakulty umění a architektury v Liberci a její současný proděkan. Očekává, že 3D tisk přinese do architektury i větší rozmanitost: „Tato technologie totiž umožňuje tisk komplikovaných tvarů a dokáže vyhovět i náročným a neobvyklým požadavkům.“
Tým chce navíc dosáhnout tiskové přesnosti 2–3 mm, která není ve stavebnictví běžná.
Podle Jiřího Suchomela se díky 3D tisku budou stavební objekty sestavovat z jednotlivých částí jako velké lego. „Některé části konstrukce, zejména svislé stěny, zvládneme 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. Monolitické stavby jsou drahé také proto, že potřebují složité bednění, což při 3D tisku není zapotřebí, a navíc nevzniká žádný odpad.
ROBOT STAVITEL
Zatím ve světě existují jen experimentální stavby často sestavené z prefabrikátů vytištěných ve výrobní hale. Tým z TUL navrhuje jinou cestu, a sice tisk přímo na staveništi, kam bude možné převézt tiskárnu bez použití robustní dopravní techniky.
„Navrhujeme mobilní robotické zařízení, které se přemisťuje po staveništi a postupně zvládne tisknout jak svislé, tak vodorovné konstrukce,“ říká architekt Jiří Suchomel a upozorňuje na to, že ve světě užívané průmyslové roboty tisk stropů a střešních konstrukcí nerealizují.
Vizi architektů dávají konkrétní podobu vědecké týmy ze tří fakult – textilní, strojní a mechatroniky, informatiky a mezioborových studií.
Tvarovou svobodu slibuje 3D tisk, s nímž mají v Liberci dlouholeté zkušenosti. Ale zatím tiskli z kovových prášků, plastické hmoty atd. Při stavbě domu se tyto materiály musí vyměnit za stavební směs. Na první pohled to vypadá jednoduše, ale na druhý je to mnohem složitější technologicky. Proto se řešitelský tým skládá z celé řady odborníků z různých oborů. Při hledání řešení hrají zásadní roli tři aspekty: jak bude vypadat tiskárna, jak tisková hlava a jak stavební materiál.
Tým vypracoval koncepci, podle níž bude tisk přímo na staveništi zajišťovat až do vzdálenosti 5,6 m a výšky 3,2 m otočné a posuvné robotické rameno. Zatím vědci vyvinuli model tohoto ramene v měřítku 1 : 4 a na něm si už ověřili, že rameno dokáže opsat libovolně definovanou křivku v pracovní oblasti stroje.
Celkem se v rámci projektu stavějí dvě zařízení. Na prvním, kartézském, testují v Kloknerově ústavu tiskovou hlavu a směsi. Druhý robot typu rozšířená SCARA existuje v měřítku 1 : 4, později 1 : 2 a bude to ten, který se bude vozit standardním nákladním autem na stavbu.
„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,“ upřesňuje doc. Ing. Mgr. Václav Záda, CSc., z Ústavu mechatroniky a technické informatiky, jeden z hlavních autorů tiskového robota Con4DBot. „Výhodou této konstrukce je, že když je potřeba na krátkou chvíli zastavit koncový efektor, například v bodě zlomu, mohou se ostatní články robotu po tu krátkou dobu stále pohybovat. Tím se neztrácí kinetická energie ramene, která bude u velkého zařízení nezanedbatelná. Ostatní stroje toto neumějí,“ vysvětluje docent Záda.
KONCOVÝ BOD TISKOVÉ HLAVY ŘÍDÍ SYSTÉM B&R
„Máme vyzkoušeny první úlohy řízení ramene v měřítku 1 : 4,“ řekl nám Ing. Leoš Beran, Ph.D., z Ústavu mechatroniky a technické informatiky, „a výsledky chceme přenést do modelu v měřítku 1 : 2, který existuje v současné době jen v podobě počítačového modelu. Zabýváme se řízením trajektorie tiskové hlavy na staveništi, což je jeden z prvků určujících úspěch projektu. Za ten budeme považovat možnost pohybovat hlavou s přesností 3 až 5 mm, pokud to dovolí tuhost systému.“ Hlava a její řízení je velkým tématem toto výzkumného projektu. Je to nejprve zaměření robotu na stavbě pomocí lokalizačního systému. Ten se musí skládat z řady senzorů, ale pro úspěch projektu je zásadní, aby byly cenově dostupné.
A Z HLEDISKA POHYBU TISKOVÉ HLAVY?
„Tady hrají klíčovou roli řídicí systémy společnosti B&R. V naší skupině s ní spolupracujeme už asi 10 let na dalších projektech v oblasti průmyslové automatizace. Jiné systémy nepoužíváme, protože produkty této společnosti máme vyzkoušené, jsme s nimi spokojeni a soustavně sledujeme jejich další vývoj, takže vždy máme všechny novinky.“
CO BYLO V ZADÁNÍ ZÁSADNÍ?
Otázka patří Ing. Tomáši Kohoutovi z pražské pobočky společnosti B&R. „Požadavky na výběr HW komponent nebyly nijak překvapivé, jelikož se z podstaty jedná o průmyslový stroj, pro který jsou naše produkty primárně určeny. Těžiště naší práce spočívalo v nalezení optimální konfigurace HW pro danou úlohu z hlediska potřebného výkonu. To se týkalo všech námi dodávaných komponent od operátorského panelu po řídicí systém – průmyslové PC, Safety systém pro funkční bezpečnost a hlavně dimenzování pohonů, což jsou standardní služby, které zákazníkům nabízíme. Chtěli jsme docílit dostatečně výkonné sestavy automatizačních komponent, která projekt nebude technicky omezovat v případě nových požadavků dalšího vývoje.“
Mimo zmíněný hardware dodala společnost B&R také standardní softwarové komponenty. Konkrétně se jedná o CNC jádro, interpolující osy systému, které splňuje obecné požadavky z branže 3D tisku. Druhou částí dodávky softwaru byl systém B&R mappTechnology, který týmu ušetřil práci se základními funkcionalitami, jako jsou receptury, správa uživatelů, management souborů a složek a další základní softwarové práce. „Za pozornost stojí také použité HMI – AutomationPanel řady 5000 v provedení montáže mimo rozváděč na polohovatelné rameno se zákaznickou tlačítkovou lištou. Zde jsme použili, dá se říct, to nejlepší, co nabízíme. Odměnou je vysoká míra flexibility a ergonomie ovládání. Vizualizace na panelu je tvořena čistě webovou technologií, díky čemuž lze vizualizaci stroje snadno přenášet na PC, mobil či tablet, který máme vždy po ruce,“ uzavřel Ing. Tomáš Kohout.
Požadavky na systém pohonů vycházely z koncepce budoucího používání stroje. Jmenovitě se jednalo o osy s absolutními multiturnenkodéry, jednokabelové provedení motorů, modulární systém servořízení a pokročilé bezpečnostní funkce. „Díky tomu byl stroj nejen snadněji zkonstruovaný, ale je i příjemnější pro obsluhu. Navíc rozšiřitelný do budoucna, což je pro technologii, která se vyvíjí, velmi důležité. Naším úkolem kromě konstrukce bylo také vytvoření řídicího softwaru stroje. K tomu nám byla nápomocna technická podpora B&R,“ konstatuje Ing. Leoš Beran a dodává: „a také se nám líbí, jakým způsobem s námi dodavatel komunikuje problémy, které se vyskytly během vývoje. Chtěli bychom ve spolupráci pokračovat i v budoucnu.“
Ing. Václav Pravda, vedoucí pražské pobočky B&R, k tomu dodává: „S projekty z branže 3D tisku máme již zkušenosti i u jiných zákazníků. Myslím si, že tisk budov robotem Con4DBot má velký potenciál, a doufáme, že výzkumný projekt dopadne výborně a výsledek bude nasazen do praxe. Jinými slovy, začne se sériově vyrábět. Ostatně právě tento projekt odpovídá naší firemní filozofii zaměřené na soustavnou a dlouhodobou spolupráci se zákazníky.“
TESTOVÁNÍ V PLNÉM PROUDU
Z univerzitních prostor v Liberci byla přesunuta tisková souprava, čili TestBed, na mnohaměsíční testování do Kloknerova ústavu ČVUT v Praze. Zde nám předvedl celé zařízení vedoucí zdejší laboratoře technologie betonu Ing. David Čítek.
„Máme za úkol vyvinout tiskový materiál a technologii jeho transportu od míchačky po tiskovou hlavu přímo na staveništi. Chceme tisknout tenkostěnné skořepinové stavby bez lidského zásahu, automaticky, na stavební parcele. A to nejen vertikální, ale i vodorovné konstrukce. Naše úloha spočívá především ve vývoji cementové směsi, což je alfa i omega pro tisk. Směs musí totiž tuhnout dostatečně rychle, aby se vrstvy při tisku nebortily, ale zároveň musí dojít k jejich provázání a spojení. Zkouškám se podrobí celý TestBed, včetně trysky, dále průběh tisku a otestují se i fyzikálně-mechanické vlastnosti konstrukčních částí vytištěných z různých typů směsí,“ říká Ing. David Čítek, který nám zodpověděl na následující dotazy:
Jak vypadá směs pro tisk?
Jejím základem je jemnozrnná cementová směs s maximální zrnitosti kameniva 1 mm čili cementový kompozit doplněný o různé příměsi, které zajišťují stabilitu, vhodnou konzistenci, hutnost a vhodný náběh fyzikálně-mechanických vlastností v krátkém čase. Důležité jsou tixotropní vlastnosti směsi, čili takové vlastnosti, které zabraňují roztékání tištěných vrstev. Experimentujeme také s přidáváním rozptýlené výztuže. Jedná se o výztužná vlákna z různých materiálů (uhlík, ocel, plast) různých délek tak, abychom docílili potřebných parametrů z hlediska pevnosti v tahu za ohybu. K tištění využíváme předmíchané suché směsi vyvinuté v KÚ, proces míchání je tak značně zjednodušen. Zatím jsme na testovacím zařízení teoreticky schopni vytisknout vzorek dlouhý 3 m, vysoký 1,5 m a široký 1 m. Jsme limitováni velikostí stroje, respektive zkušební místnosti. Vytištěné vzorky testujeme na zatěžovacích strojích a výsledky pak předáme statikům, kteří vytvářejí z těchto dat matematický model. Je to taková vícestupňová optimalizace celého procesu.
Do napytlované tiskové směsi se přidává voda?
Eventuálně ještě plastifikátor a v poslední fázi urychlovač. Rychlost tisku závisí na tištěné konstrukci, velikosti a tvarové složitosti. Teoreticky jsme schopni tisknout rychlostí až 30 cm za vteřinu. Všem konstrukcím z cementových kompozitů je třeba dát určitý čas na dozrání a vytvrdnutí. Běžný beton zraje 28 dní, ale vytištěná konstrukce musí být schopna udržet sama sebe okamžitě, v tom se pohled na konstrukci a celou technologii liší.
S jakými barvami pracujete?
Zatím pracujeme jen se šedou variantou, protože cement jakožto hlavní složka je šedý a udává výslednou barvu. Směs lze libovolně přibarvovat různými pigmenty. Výsledné stěny konstrukce lze omítat uvnitř i zvenku, pokud nechce architekt využít viditelnou signifikantní tiskovou strukturu naopak jako kreativní prvek.
Naším cílem je vytvořit autonomní systém, který na základě přesných požadavků postaví dům bez lidského zásahu.
Zbývá jen dodat, že na projekt liberecké univerzity 3D Star (CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_025/ /0007424), jehož cílem je metoda postupného tisku rozsáhlejších a také vícepodlažních budov přímo na místě, 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 tisk skutečných domů. Nezbytnou podmínkou by pak bylo nalezení ekonomicky silného průmyslového partnera.