3D tisk ve stavebnictví: jaké jsou jeho výhody?

Na první pohled vypadá jako skořápka běžné nedokončené stavby. Při bližším pohledu však zjistíte, že zde nejsou žádné cihly. Místo toho jsou na sebe nalepeny vrstvy materiálu, které vytvářejí důmyslnou strukturu. To je futuristický svět 3D tisku ve stavebnictví, kde robotická ramena automaticky vytlačují vrstvy cementu, plastu nebo jiného materiálu na základ a „staví“ tak konstrukci.

V současné době je tento přístup ke stavbě velmi specifický – na světě existuje jen několik prototypů domů a kanceláří vytištěných na 3D tiskárně. Přesto představuje zajímavou a potenciálně zásadní změnu ve způsobu, jakým stavíme.

Co znamená 3D tisk ve stavebnictví, kde je jeho potenciál a bude většina firem v brzké době pracovat na projektech vytištěných 3D tiskem?

Co znamená 3D tisk ve stavebnictví?

3D tisk ve stavebnictví může zahrnovat buď použití 3D tiskárny připojené k rameni, které aktivně staví projekt na místě, nebo použití tiskáren v továrně vyrábějící součásti stavebního projektu, které se později sestavují dohromady.

3D tisk jako koncept není nový – poprvé byl vyvinut v 80. letech minulého století. Teprve v posledním desetiletí se však technologie zdokonalila (a náklady snížily) natolik, že se stala běžnou záležitostí.

3D tiskárny se v zásadě neliší od stolní inkoustové tiskárny. Softwarový program zadá tiskárně rozměry konečného výrobku. Tiskárna pak podle daného plánu vstřikuje materiál na podložku. 3D tiskárny často používají tekuté kovy, plasty, cement a řadu dalších materiálů, které následně zchladnou nebo vyschnou a vytvoří tak konstrukci.

Při 3D tisku ve stavebnictví se využívá program CAD nebo BIM, který zadá 3D tiskárně, co má vytisknout, a stroje pak začnou podle plánu vrstvit jednotlivé úrovně materiálu.

TISKÁRNY VE STAVEBNICTVÍ: JAK 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.

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

Tři inovativní příklady

Ve stavebnictví bylo zatím dokončeno jen několik projektů vytištěných pomocí 3D tisku. Zde jsou tři nejperspektivnější příklady:

1. Administrativní budova dubajského magistrátu, Spojené arabské emiráty

V prosinci 2019 oznámila firma Apis Cor, která se zabývá 3D tiskem pomocí robotů, že dokončila největší samostatně stojící budovu 3D tištěnou budovu na světě. Kancelářská budova postavená ve Spojených arabských emirátech je vysoká 9,5 metru a má podlahovou plochu 640 m2.

3D tiskárna společnosti Apis Cor se pohybovala po staveništi pod širým nebem pomocí jeřábu a vytvářela tak různé části konstrukce.

2. Kancelář budoucnosti, Spojené arabské emiráty

Další působivou 3D tištěnou budovou ve Spojených arabských emirátech je Kancelář budoucnosti, jedinečná stavba, která je v současné době příhodně sídlem místní Nadace budoucnosti.

Samotný tisk probíhal mimo prostor umístění objektu a všechny díly byly vytištěny za 17 dní. Celá budova pak byla smontována za pouhých 48 hodin.

3. 3D tištěné domy od společnosti WinSun, Čína

Čínská společnost WinSun, která se zabývá 3D tiskem, rovněž používá ke stavbě lidských obydlí 3D tiskárny umístěné v továrně. Firma vytvořila několik návrhů domů, včetně malého bytového domu. Uživatelé návrhu si mohou rychle a levně vytisknout jednotlivé části a až následně je instalovat na místě.

Firma počítá s tím, že tisk jednoho z jejich pětipatrových bytových domů by mohl stát pouhých 161 000 dolarů. 3D tisk ve stavebnictví je určitě fascinující záležitost, ale jaké jsou výhody tohoto přístupu?

Jak mohou 3D tištěné projekty pomoci stavebním firmám?

Zastánci 3D tištěných návrhů domů a komerčních kanceláří poukazují na několik výhod tohoto přístupu:

• Bezodpadová výstavba

Ve Velké Británii se téměř třetina odpadu vyprodukuje právě ve stavebnictví. Podle společnosti Transparency Market Research Group lze očekávat, že do roku 2025 vyprodukuje stavebnictví celosvětově 2,2 miliardy tun odpadu. Velká část sice pochází z demolic, ale i na staveništích dochází k plýtvání. Běžně se objednává více materiálu, než je třeba, což je drahé a neefektivní.Naproti tomu 3D tisk má potenciál snížit množství odpadu téměř na nulu. 3D tiskárna používá pouze materiál potřebný k vytištění konstrukce – nic víc a nic míň. To by mohlo znamenat obrovské úspory.

• Snížení spotřeby energie

3D tisk ve stavebnictví podporuje používání místních a přírodních materiálů. Takový postup by mohl přispět k úspoře energie nutné na dopravu, výstavbu i výrobu, protože zpracování a instalace místních materiálů jsou většinou spojeny s nižší spotřebou energie. Pokud budou tradiční materiály obsahující toxické chemikálie nahrazeny přírodními materiály, může se snížit také toxicita prostředí budov. Pro místní klimatické podmínky jsou navíc často vhodné právě místní materiály, které tak mohou přispět ke snížení potřeby vytápění a chlazení, což následně šetří náklady na provoz budovy.

• Snížení času a nákladů

Stejně jako v případě umělé inteligence ve stavebnictví může 3D tiskárna pracovat 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. To znamená, že stavební projekty by potenciálně mohly být dokončeny mnohem rychleji a bylo by možné vyhnout se některým nákladům na méně kvalifikovanou pracovní sílu.

• Podporuje originální design

Jednou z nejpřitažlivějších vlastností 3D tiskáren je jejich schopnost vytvářet složité a neobvyklé konstrukce, včetně „jedinečných originálů“. Protože 3D tiskárny fungují na principu vrstvení materiálu, lze je naprogramovat tak, aby vytvářely neobvyklé tvary, které by bylo mnohem obtížnější postavit pomocí tradičních technik.

• Minimalizace lidských chyb a zvýšení bezpečnosti

Statistiky amerického úřadu práce o pracovních úrazech zveřejněné v roce 2020 označily stavebnictví za jedno z povolání s nejvyšší mírou výskytu incidentů. Každý den v tomto odvětví zemře na pracovišti přibližně 15 pracovníků. Počet pracovních úrazů včetně těch smrtelných by se díky 3D tisku pravděpodobně snížil, protože výstavbu lze díky němu lépe programovat a automatizovat. Robotická výstavba vyžaduje standardizované, přesné a úplné digitální informace o stavbě, díky čemuž je přístup založený na 3D tisku přesnější a efektivnější s minimální potřebou přepracování v důsledku lidské chyby a případných nesrovnalostí údajů. Snižuje se riziko poškození materiálů, sestav nebo rozpracovaných výrobků, protože odpadá nutnost skladování na staveništi a přemísťování materiálu.

• Otevírání nových trhů

Použití 3D tiskárny také umožňuje stavebním společnostem vstoupit do odvětví, která pro ně byla dříve nedostupná. A pro zcela nové stavební firmy se 3D tiskárna stává konkurenční výhodou. Kromě toho je 3D tisk vynikajícím způsobem, jak může stavební společnost zlepšit své renomé mezi těmi, kterým není lhostejný dopad betonových staveb na životní prostředí.

VZESTUP KONSTRUKČNÍHO 3D TISKU

3D tisk pro zpevnění konstrukce, tisk mikrorozměrných součástí a konstrukční oceli může způsobit revoluci v oblasti designu, stavebnictví a průzkumu vesmíru. A kromě toho ESA (Evropská kosmická agentura) věří, že technologie 3D tisku kovů dokáže vytvářet vysoce kvalitní komplexní formy za zlomek nákladů a má předpoklad k tomu, aby se stala virální.

ESA společně s Evropskou komisí vytvořila projekt, jehož cílem je zdokonalit tisk kovových součástí vhodných pro použití ve vesmíru. V rámci projektu AMAZE – Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste & Efficient Production of High-Tech Metal Products (Aditivní výroba směřující k nulovému odpadu a efektivní výrobě špičkových kovových výrobků) se spojilo 28 evropských průmyslových partnerů. Téměř vše lze navrhnout pomocí počítače, proto je jasným cílem projektu AMAZE instalovat 3D tiskárnu na palubu kosmické lodi a jakmile bude astronaut potřebovat určitý nástroj, bude jej možné snadno navrhnout a vytisknout.

3D TISK VE STAVEBNÍM INŽENÝRSTVÍ

3D tisk ve stavebním inženýrství si v posledním desetiletí získal oblibu v rámci leteckého a biomedicínského průmyslu. 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. Vývoj stavebního průmyslu směrem k automatizaci dosáhl v poslední době několika významných milníků, včetně vytvoření prvních konstrukcí pomocí robotických ramen a technologie 3D tisku.

Stále častěji se metody 3D tisku využívají při výrobě konstrukčních prvků z polymerních materiálů, betonu a kovů. Tyto techniky mohou ve stavebním inženýrství díky použití softwaru integrovaného do CAD vytvářet volné formy a inovativní architektonické tvary. Navzdory značným výzkumným snahám v oblasti leteckého a biomedicínského inženýrství zaměřeným na posouzení tohoto mechanismu stále chybí znalosti o využití, aplikacích a dopadech 3D tištěných materiálů ve vztahu k pozemnímu stavitelství a to jak z hlediska vlastností materiálů, tak z hlediska chování konstrukce.

ZÁKULISÍ KONCEPTU WIKI HOUSE: 3D TISK VE STAVITELSTVÍ

WikiHouse je inovativní projekt, který v roce 2011 založila malá skupina londýnských designérů. Nabízí open-source digitální stavební systém, který uživatelům umožňuje vytvářet, stahovat a sdílet návrhy a tisknout vlastní domy. Práce s jejich soupravou nevyžaduje žádné speciální školení ani dovednosti a lze ji postavit během jediného dne. Součásti mohou být digitálně vyřezány z běžného deskového materiálu jako překližka pomocí CNC stroje, což snižuje čas, náklady a odborné znalosti potřebné při tradiční výstavbě. Standardní dům se dvěma ložnicemi lze postavit za méně než 50 000 liber a k základní konstrukci lze přidat další komponenty, jako jsou obklady, služby, izolace a okna. Prvním domem postaveným pomocí open-source technologie Wiki House byla dvoupodlažní budova vytištěná na 3D tiskárně. Byla představena na Londýnském festivalu designu v roce 2014.

Hnutí Wiki House vede Alastair Parvin, jehož prezentace na platformě TED s názvem „Architektura pro lidi tvořená lidmi“ objasňuje perspektivy 3D tisku ve stavebnictví. Tvůrci tohoto projektu věří, že systém Wiki House může pomoci vyřešit problémy s bydlením a může se obzvláště hodit v nouzových situacích, například po zemětřesení (již existují důkazy, že domy vytištěné na 3D tiskárně vydrží zemětřesení o síle 8,0 stupně Richterovy škály). V budoucnu se může stát realistickou alternativou pro výstavbu levných domů a zároveň umožní zákazníkovi mít kontrolu nad návrhem.

JE 3D TISK UDRŽITELNOU BUDOUCNOSTÍ STAVEBNICTVÍ?

3D tisk může zásadně změnit strukturu dodavatelských řetězců tím, že změní způsob konstrukce výrobků a samotné výroby. Podle výzkumu akademiků z Univerzity aplikovaných věd v Saxionu může 3D tisk přispět k zeštíhlení, zefektivnění a větší udržitelnosti stavebního průmyslu. Jeho autoři Ivo Kothman a Niels Faber tvrdí, že technologie 3D tisku „mění pravidla hry“. Vypracovali studii o proveditelnosti 3D tisku betonu a jejich závěry lze shrnout následovně:

• 3D tisk zkracuje dodavatelský řetězec a celý proces návrhu. Díky 3D tisku na místě lze eliminovat několik časově náročných fází návrhu. Architekti, inženýři, dodavatelé, klienti a další rozhodující aktéři obvykle musejí poskytovat vstupní informace během procesu návrhu budovy, což díky 3D tisku již není třeba. Všechny tyto úkoly totiž mohou být sloučeny do pozice architekta, který využívá simulační techniky a modelování k zajištění integrity konstrukce.
• Instalace potrubí a elektroinstalace je jednodušší a efektivnější. Topné systémy, izolace, tekoucí voda a elektřina vyžadují v tradiční výstavbě pracnou instalaci na místě. Díky 3D tisku však mohou být některé z těchto prací začleněny do procesu 3D tisku. Tisk dutých stěn vyžaduje méně zdrojů, zlepšuje izolaci a může umožnit použití 3D tištěných kanálů pro vedení teplé nebo studené vody. Kromě toho lze odstraněním nutnosti instalace na místě snížit množství odpadu.
• Lepší logistika. 3D tisk dokáže odstranit tři klíčové problémy spojené s logistikou přepravy. Zaprvé, mnoho komponent se při přepravě poškodí, čemuž by se dalo předejít tiskem na místě. Zadruhé, aby díly vydržely přepravu, musí být konstruovány s nadměrnými nároky, což přináší další náklady. Takové nadměrné projektování by se eliminovalo pomocí 3D tisku na místě.
• Zpřístupnění domů postavených na zakázku pro širší trh. Stavba domu s pomocí architekta bývá pro mnoho spotřebitelů tradičně příliš drahá. V případě 3D tisku betonu nezáleží na tom, jaký tvar potřebujete vytisknout: na ceně se to neprojeví. To znamená, že v budoucnu si bude moci více lidí pořídit dům na míru svým potřebám.

Střízlivý pohled na věc

Ačkoli je 3D tisk jistě lákavým konceptem, je důležité k němu přistupovat střízlivě. Skeptici poukazují na to, že tato technologie má několik omezení:

• Náklady na výzkum a vývoj

Většina stavebních firem pracuje s poměrně nízkými maržemi. Investice potřebné pro plošné využití návrhů pomocí 3D tisku by byly obrovské.

• Budou to zákazníci považovat za zbytečnost?

3D tištěné domy, kanceláře, obchody nebo jiné stavby jsou často působivé na pohled. Ale chtěla by v nich většina lidí skutečně bydlet nebo pracovat? Mnoho lidí má nadále kulturně podmíněný vztah k budovám z cihel. Pozornost v minulosti vzbudily i další technologie, například montované domy, které se však nedokázaly prosadit, přestože jsou často levnější než stávající norma.

• Obtíže při integraci s ostatními komponentami

3D tiskárny umí skvěle pracovat podle jedinečných a zajímavých návrhů. Nicméně pokud chcete stavbu, která zahrnuje různá média nebo má různé prvky, které se nehodí pro 3D tisk, bude těžké začlenit 3D tiskárnu do procesu výstavby.

• Nedostatek kvalifikované pracovní síly

Ve stavebnictví již nyní panuje nedostatek pracovních sil. Využití 3D tisku pak bude vyžadovat ještě specializovanější dovednosti a bude tedy nutné vybírat z ještě menšího počtu kandidátů. Najít kvalifikované pracovníky pro práci ve stavebním prostředí s 3D tiskem se tak v budoucnu může stát náročným úkolem.

• Kontrola kvality výstavby

Povětrnostní podmínky mohou zpomalit tradiční proces výstavby, ale s 3D tiskem se situace může ještě zhoršit. Environmentální faktory by mohly způsobit, že se z 3D tisku v komerční výstavbě stane i přes nadšená očekávání spíše propadák. Navíc kontrola kvality ve stavebnictví může být obtížným úkolem vyžadujícím neustálé sledování lidskými pracovními silami.

•  Nedostatek předpisů a nařízení

Ačkoli se 3D tisk v poslední době dostává na titulní stránky novin, na stavebnictví zatím nemá výrazný vliv. Problém s odpovědností může nastat v souvislosti s nasazením tiskáren namísto lidí při provádění některých stavebních prací. V současné době v této oblasti panuje mnoho nejasností z hlediska použití 3D tisku ve stavebnictví. Dokud nebudou jasně stanovena pravidla a předpisy, je nepravděpodobné, že by se 3D tisk stal ve stavebnictví hlavním proudem.

Jak lze 3D tisk integrovat do stavebnictví?

V současné době existují pádné důkazy o tom, že 3D tisk je důvěryhodný a použitelný ve stavebnictví, a je pravděpodobné, že se zde tato technologie začne v příštích letech stále více prosazovat.

Jak dalece se tyto stroje nakonec uplatní přímo na stavbě, nebo zda zůstanou převážně nástrojem pro prefabrikaci, to se teprve uvidí. Zdá se však být rozumné předpokládat, že v případě vhodného typu projektu se 3D tiskárny zařadí do arzenálu nástrojů, které mají stavitelé k dispozici.

O společnosti PlanRadar

Společnost PlanRadar byla založena v roce 2013 a poskytuje inovativní mobilní softwarová řešení pro odvětví stavebnictví a realit. Naše aplikace je dostupná pro všechna zařízení se systémy iOS, Android a Windows a pomohla již více než 7 000 zákazníkům ve více než 44 zemích digitalizovat jejich pracovní postupy. Více informací o aplikaci najdete zde.

• Architektura
• Stavebnictví
• Trendy a inovace