3D tlač v stavebníctve: aké sú jej výhody?

Na prvý pohľad vyzerá ako plášť akejkoľvek inej rozostavanej budovy. Ale pri bližšom pohľade zistíte, že tam nie sú žiadne tehly. Namiesto toho sa vrstvy materiálu lepia na seba a vytvárajú zložitú štruktúru. Toto je futuristický svet 3D tlače v stavebníctve, kde robotické ramená automaticky stláčajú vrstvy cementu, plastu alebo iného materiálu na základy a „stavajú“ tak štruktúru budovy.

V súčasnosti je tento prístup ku výstavbe veľmi okrajový – na celom svete existuje len niekoľko 3D tlačených prototypov domov a kancelárií. Napriek tomu predstavuje vzrušujúcu a potenciálne hlbokú zmenu v tom, ako staviame.

Čo je 3D tlač v stavebníctve, kde je jej potenciál a budete v blízkej dobe pracovať na 3D tlačených projektoch?

Čo je 3D tlač v stavebníctve?

3D tlač v stavebníctve môže zahŕňať použitie 3D tlačiarne pripojenej k ramenu, ktorá aktívne vytvára projekt priamo na mieste, alebo použitie tlačiarní v továrni, ktoré vytvárajú komponenty stavebného projektu určené na neskoršiu montáž.

Ako koncept nie je 3D tlač žiadnou novinkou – prvýkrát bola vyvinutá v 80. rokoch minulého storočia. Avšak až v poslednom desaťročí sa technológia dostatočne zlepšila (a náklady dostatočne klesli), aby sa stala súčasťou mainstreamu.

3D tlačiarne nie sú až tak rozdielne oproti vašej stolovej atramentovej tlačiarni. Softvérový program „povie“ tlačiarni o rozmeroch konečného produktu. Tlačiareň potom nanáša materiál na plošinu na základe tohto plánu. 3D tlačiarne často používajú tekuté kovy, plasty, cement a množstvo ďalších materiálov, ktoré potom ochladzujú alebo sušia, aby vytvorili konečnú štruktúru.

V prípade 3D tlače v stavebníctve CAD alebo BIM program „povie“ 3D tlačiarni, čo potrebuje tlačiť, a stroje potom začnú postupne vrstviť úrovne materiálu podľa plánu.

3D TLAČIARNE V STAVEBNÍCTVE: AKO FUNGUJÚ?

Koncept fungovania 3D tlačiarne je postavený na vytláčaní špecifickej zmesi vrstvu po vrstve na základe trojrozmerného počítačového modelu.

Pripravená zmes cementu, plniva, zmäkčovadla a ďalších látok sa vloží do násypky zariadenia a privedie sa do tlačovej hlavy. Zmes sa nanáša na povrch terénu alebo predtým vytlačené vrstvy. Takto funguje väčšina stavebných 3D tlačiarní. Medzi nimi nájdeme tri rôzne druhy zariadení na 3D tlač:

• Portálové 3D tlačiarne. Skladajú sa z rámu, troch portálov a tlačovej hlavy. S ich pomocou je možné tlačiť budovy po častiach alebo v celku.

• Delta tlačiarne. Nie sú obmedzené trojrozmerným modelom a dokážu vytvárať komplikovanejšie formy. Tlačová hlava je zavesená na pákach pripevnených k vertikálnym vodidlám.

• Nakoniec sú to robotické tlačiarne, ktoré obsahujú robota alebo skupinu robotov, ako je napríklad priemyselný manipulátor vybavený extrudérmi a riadený počítačom.

Tri inovatívne príklady

V stavebnom sektore bolo zatiaľ dokončených len niekoľko 3D tlačených projektov. Tu sú tri najsľubnejšie príklady:

1. Kancelárska budova dubajského magistrátu, Spojené arabské emiráty

V decembri 2019 spoločnosť Apis Cor, zameraná na robotickú 3D tlač, oznámila, že dokončila najväčšiu samostatnú 3D tlačenú budovu na svete. Kancelársky blok postavený v Spojených arabských emirátoch je vysoký 9,5 metra a má podlahovú plochu 640 m2.

3D tlačiareň Apis Cor bola počas výstavby rôznych častí konštrukcie premiestňovaná po areáli pod holým nebom pomocou žeriavu.

2. Kancelária budúcnosti, Spojené arabské emiráty

Ďalšia pôsobivá 3D tlačená budova v Spojených arabských emirátoch, Kancelária budúcnosti, je jedinečná štruktúra, ktorá je v súčasnosti domovom (celkom primerane) emirátskej nadácie Future Foundation.

Pre túto budovu bola samotná tlač vykonaná mimo staveniska, pričom všetky diely boli vytlačené za 17 dní. Robotníci zostavili celú budovu len za 48 hodín.

3. 3D printed houses by WinSun, China

Čínska firma špecializovaná na 3D tlač WinSun používa na stavbu ľudských obydlí aj továrenské 3D tlačiarne. Firma vytvorila niekoľko návrhov domov, vrátane malého bytového domu. Používatelia týchto riešení môžu rýchlo a lacno vytlačiť jednotlivé diely pred ich inštaláciou na mieste.

Spoločnosť počíta s tým, že tlač jedného z ich päťposchodových bytových domov by mohla stáť len 161 000 dolárov.

3D tlač v stavebníctve určite vyzerá ako veľmi vzrušujúca technológia, ale aké sú výhody tohto prístupu?

Ako môžu 3D tlačené projekty pomôcť stavebným firmám?

Zástancovia 3D tlačených domov a komerčných kancelárií poukazujú na niekoľko výhod tohto prístupu:

• Nulový odpad počas výstavby

V Spojenom kráľovstve vytvára stavebný priemysel takmer tretinu odpadu v celej krajine. Podľa skupiny Transparency Market Research Group sa očakáva, že stavebný priemysel do roku 2025 celosvetovo vyprodukuje 2,2 miliardy ton odpadu. Zatiaľ čo veľká časť z toho pochádza z demolácií, na staveniskách sa nepochybne tiež často plytvá. Bežne sa objednáva viac materiálu, ako je potrebné, čo je drahé a neefektívne.

Naopak, 3D tlač má potenciál znížiť odpad takmer na nulu. 3D tlačiareň používa iba materiál potrebný na tlač štruktúry, nič viac ani menej. To by sa mohlo premietnuť do obrovských úspor.

• Znížená spotreba energie

3D tlač v stavebníctve podporuje používanie lokálne dostupných a prírodných materiálov. Takáto prax by mohla pomôcť ušetriť energiu na dopravu, výstavbu a výrobu, pretože väčšina miestnych materiálov sa spracováva a inštaluje s použitím menšieho objemu energie. Ak sa tradičné materiály obsahujúce toxické chemikálie nahradia prírodnými materiálmi, môže to prispieť k zníženiu celkovej toxicity zastaveného prostredia. Okrem toho sú lokálne materiály často vhodné pre miestne klimatické podmienky a môžu pomôcť znížiť zaťaženie vykurovaním a chladením, čo následne šetrí náklady na výstavbu.

• Úspora času a nákladov

Rovnako ako v prípade Umelej inteligencie (AI) v stavebníctve môže 3D tlačiareň pracovať 24 hodín denne, 7 dní v týždni. To znamená, že stavebné projekty by mohli byť potenciálne dokončené oveľa rýchlejšie a bolo by možné vyhnúť sa niektorým nákladom na nízko kvalifikovanú prácu.

• Podporuje netradičné návrhy

Jednou z najatraktívnejších vlastností 3D tlačiarní je ich schopnosť vytvárať zložité a nezvyčajné návrhy, vrátane „jedinečných originálov“. Keďže 3D tlačiarne pracujú systémom vrstvenia materiálu, môžu byť naprogramované tak, aby vytvárali nezvyčajné tvary, ktoré by bolo oveľa ťažšie postaviť pomocou tradičných techník.

• Minimalizácia ľudských chýb a zvýšená bezpečnosť 

Štatistika úrazov na pracovisku BLS, zverejnená v roku 2020, uvádza stavebníctvo ako jedno z povolaní s najvyššou mierou výskytu takýchto udalostí. Každý deň zomrie na stavbe približne 15 pracovníkov. Pracovné úrazy a úmrtia by sa s 3D tlačou pravdepodobne znížili, pretože vďaka nej je konštrukcia viac programovateľná a automatizovaná. Robotická konštrukcia vyžaduje štandardizované, presné a úplné digitálne informácie o budove, vďaka čomu je prístup 3D tlače presnejší a efektívnejší s minimálnou potrebou opráv a prerábok v dôsledku ľudskej chyby a akýchkoľvek konfliktov informácií. Znižuje sa pravdepodobnosť poškodenia skladovaných materiálov, zostáv alebo rozpracovanej stavby, pretože nedochádza k skladovaniu a pohybu materiálu na mieste.

• Otváranie nových trhov 

Využitie 3D tlačiarne tiež umožňuje stavebným firmám preniknúť do odvetví, ktoré boli pre nich doposiaľ nedostupné. A pre úplne nové stavebné spoločnosti sa 3D tlačiareň stáva významnou konkurenčnou výhodou. Okrem toho je 3D tlač pre stavebnú spoločnosť vynikajúcim spôsobom, ako zlepšiť reputáciu svojej značky medzi tými, ktorí sa obávajú vplyvu betónových stavieb na životné prostredie na planétu.

VZOSTUP ŠTRUKTURÁLNEJ 3D TLAČE

3D tlač zameraná na posilnenie štruktúry, mikrokomponentov a stavebnej ocele môže spôsobiť revolúciu v oblasti dizajnu, stavebníctva a prieskumu vesmíru. Okrem toho ESA (Európska vesmírna agentúra) verí, že 3D tlačené kovy dokážu vytvárať vysokokvalitné komplexné formy za zlomok nákladov a tiež môžu sa stať virálnymi.

ESA spolu s Európskou komisiou vytvorili projekt na zdokonalenie tlače kovových komponentov vhodných do vesmíru. V projekte AMAZE (Aditívna výroba zameraná na nulový odpad a efektívnu výrobu technologicky vyspelých kovových produktov) sa zišlo 28 európskych priemyselných partnerov. Takmer všetko môže byť navrhnuté počítačom, takže AMAZE má jasný cieľ nainštalovať 3D tlačiareň na palubu kozmickej lode. Akonáhle bude astronaut potrebovať určitý nástroj, môže byť ľahko navrhnutý a následne vytlačený.

3D tlač v stavebnom inžinierstve

3D tlač zaznamenala v poslednom desaťročí nárast popularity v leteckom a kozmickom priemysle a tiež v biomedicínskom inžinierstve. Možnosti tejto revolučnej výrobnej techniky spočívajú v jej schopnosti skonštruovať akúkoľvek geometrickú formu bez formálnych obmedzení, čím sa minimalizuje plytvanie materiálom a zároveň sa zvyšuje výkon a výsledky. Napredovanie stavebného priemyslu smerom k automatizácii zaznamenalo v poslednej dobe niekoľko významných míľnikov, vrátane vytvorenia prvých štruktúr pomocou robotických ramien a technológie 3D tlače.

Používanie metód 3D tlače pri vytváraní konštrukčných prvkov vyrobených z polymérnych materiálov, betónu a kovov je čoraz bežnejšie. Tieto techniky môžu v stavebnom odvetví vytvárať voľné formy a inovatívne architektonické tvary vďaka použitiu softvéru integrovaného do CAD. Napriek značnému výskumnému úsiliu v oblasti letectva, kozmonautiky a biomedicínskeho inžinierstva, v oblasti civilných stavieb je pochopenie možností využitia 3D tlačených materiálov stále nedostatočné, a to tak z hľadiska materiálových vlastností, ako aj štrukturálnej odozvy.

WIKI HOUSE 3D TLAČ V STAVEBNÍCTVE: POHĽAD DO ZÁKULISIA

Wiki House je inovatívny projekt vytvorený malou skupinou londýnskych dizajnérov v roku 2011. Ponúka digitálny stavebný systém s otvoreným zdrojom, ktorý používateľom umožňuje vytvárať, sťahovať, zdieľať návrhy a tlačiť svoje vlastné domy. Súprava nevyžaduje špeciálne školenie a zručnosti a môže byť vyrobená za jeden deň. Komponenty môžu byť digitálne vyrezané z konvenčného materiálu, ako je preglejka, pomocou CNC stroja, čím sa znižuje čas, náklady a odborné znalosti potrebné v tradičnom stavebníctve. Štandardný dvojizbový dom sa dá postaviť za menej ako 50 000 libier a do konštrukcie možno pridať ďalšie komponenty, ako je opláštenie, sociálne zariadenia, izolácia a okná. Prvý dom postavený pomocou open-source technológie Wiki House bola dvojposchodová budova vytlačená na 3D tlačiarni. Bol predstavený na London Design Festival v roku 2014.

Hnutie Wiki House vedie Alastair Parvin, ktorého prezentácia na TED „Architecture for the people, by the people“ (Architektúra pre ľudí a od ľudí) vysvetľuje perspektívy 3D tlače v stavebníctve. Tvorcovia tohto projektu veria, že Wiki House môže pomôcť vyriešiť problémy s bývaním a je nápomocný najmä v núdzových situáciách, ako sú napríklad situácie po zemetrasení (už existujú dôkazy, že domy vytlačené na 3D tlačiarni vydržia zemetrasenie s magnitúdou 8,0). V budúcnosti sa môže stať reálnou alternatívou pre dodávanie lacných domov a zároveň poskytne zákazníkovi kontrolu nad ich dizajnom.

ZNAMENÁ 3D TLAČ UDRŽATEĽNÚ BUDÚCNOSŤ PRE STAVEBNÍCTVO?

3D tlač má potenciál zásadne zmeniť štruktúru dodávateľských reťazcov zmenou spôsobu, akým sa produkty navrhujú a vyrábajú. Podľa výskumu môže 3D tlač pomôcť stavebnému sektoru dosiahnuť vyššiu optimalizáciu, efektivitu a udržateľnosť. Výskumníci z Saxion University of Applied Sciences Ivo Kothman a Niels Faber tvrdia, že technológia 3D tlače „mení pravidlá hry“. Vykonali štúdiu o možnostiach využitia 3D tlače betónu a ich zistenia možno zhrnúť takto:

• 3D tlač skracuje dodávateľský reťazec a celý proces plánovania. Vďaka 3D tlači na mieste môže byť eliminovaných niekoľko časovo náročných fáz v procese plánovania. Architekti, inžinieri, dodávatelia, klienti a výkonní pracovníci, ktorí zvyčajne musia poskytnúť vstupné informácie počas procesu projektovania budovy, už nie sú pri 3D tlači potrební. Dôvodom je, že všetky tieto úlohy môžu byť spojené do pozície architekta, ktorý využíva simulačné techniky a modelovanie na zabezpečenie štrukturálnej integrity.
• Inštalácia potrubí a elektroinštalácie sa stáva jednoduchšou a efektívnejšou. Vykurovacie systémy, izolácia, tečúca voda a elektrina vyžadujú v tradičnom stavebníctve náročnú inštaláciu na mieste. Pri 3D tlači však môžu byť niektoré z týchto funkcií začlenené priamo do procesu 3D tlače. Tlač dutých stien vyžaduje menej zdrojov, zlepšuje izoláciu a môže umožniť použitie 3D tlačených kanálov na vedenie horúcej alebo studenej vody. Okrem toho odstránením požiadavky na inštalácie na mieste je možné znížiť množstvo odpadu.
• Lepší logistický proces. 3D tlač má schopnosť eliminovať tri kľúčové problémy súvisiace s prepravnou logistikou. Po prvé, veľa komponentov sa počas prepravy poškodí, čomu sa dá vyhnúť tlačou na mieste. Po druhé, aby dokázali vydržať proces prepravy, musia byť diely odolnejšie skonštruované, čo spôsobuje dodatočné náklady. Takáto nutnosť odolnejšej konštrukcie  by bola eliminovaná pomocou 3D tlače na mieste.
• Sprístupňovanie domov na mieru pre širšie segmenty trhy. Tradične bola stavba domu za asistencie architekta pre mnohých spotrebiteľov príliš drahá. Pri 3D tlači betónu nezáleží na tom, aký tvar potrebujete vytlačiť: celkovú cenu to nijako neovplyvní. To znamená, že v budúcnosti si viac ľudí bude môcť zaobstarať domy na mieru, ktoré budú vyhovovať ich potrebám.

Viac ako módny výstrelok

Aj keď je 3D tlač určite veľmi príťažlivým konceptom, je dôležité zostať obozretný voči časti módneho nadšenia. Skeptici poukazujú na to, že technológia má aj niekoľko obmedzení:

• Náklady na výskum a vývoj

Väčšina stavebných firiem pracuje s relatívne nízkymi ziskovými maržami. Investície potrebné na plošné používanie návrhov 3D tlače by boli nesmierne veľké.

• Nebudú to zákazníci vnímať ako trik?

3D tlačené domy, kancelárie, obchody alebo iné stavby sú často pôsobivé na pohľad. Ale naozaj by väčšina ľudí chcela žiť alebo pracovať v jednej z takýchto stavieb? Mnoho ľudí zostáva kultúrne pripútaných k budovám postaveným z tehál. Iné technológie, ako napríklad montované domy, si v minulosti tiež získali pozornosť, ale nedokázali sa uchytiť napriek tomu, že sú často lacnejšie ako existujúca norma.

• Ťažkosti s integráciou iných komponentov

3D tlačiarne sú dobré v realizácii jedinečných a zaujímavých návrhov. Ak však chcete budovu, ktorá zahŕňa rôzne médiá alebo má rôzne prvky, ktoré sa nemusia hodiť na 3D tlač, môže byť ťažké začleniť 3D tlačiareň do stavebného procesu.

• Nedostatok kvalifikovanej pracovnej sily

Vzhľadom na existujúci nedostatok pracovnej sily v stavebnom sektore si 3D tlač bude vyžadovať ešte špecializovanejší súbor zručností, ktoré by bolo potrebné hľadať v menšej skupine kandidátov. Nájsť kvalifikovaných pracovníkov na prácu v oblasti 3D tlače sa teda môže stať v budúcnosti náročnou úlohou.

• Kontrola kvality výstavby

Poveternostné podmienky môžu spomaliť tradičný stavebný proces, ale v prípade 3D tlače sa veci môžu zhoršiť ešte viac. Environmentálne faktory by mohli spôsobiť, že 3D tlač v komerčnej výstavbe bude skôr veľký prepadák ako úspech. Okrem toho môže byť kontrola kvality v stavebníctve náročná úloha, ktorá si vyžaduje neustále monitorovanie skutočnými ľuďmi.

•  Nedostatok kódexov a predpisov

Aj keď sa 3D tlač v poslednej dobe dostala na výslnie, na stavebný sektor zatiaľ nemala výraznejší vplyv. Problém so zodpovednosťou môže nastať pri nasadení tlačiarní namiesto ľudí na vykonávanie niektorých stavebných úloh. O tomto aspekte 3D tlače v stavebníctve v súčasnosti prevláda veľa nejasností. Kým nebudú jasne stanovené pravidlá a predpisy, 3D tlač sa pravdepodobne nestane hlavným prúdom v stavebnom odvetví.

Ako sa bude 3D tlač môcť integrovať so stavebnými procesmi?

Dnes už existujú spoľahlivé dôkazy o tom, že 3D tlač je dôveryhodný a použiteľný proces v stavebnom sektore a je pravdepodobné, že táto technológia sa v nadchádzajúcich rokoch začne v danom odvetví čoraz viac objavovať.

Do akej miery sa tieto stroje nakoniec použijú priamo v teréne, alebo či zostanú prevažne nástrojom na prefabrikáciu, sa ešte len uvidí. Ale pre ten správny druh projektu sa zdá rozumné očakávať, že 3D tlačiarne sa pridajú k arzenálu nástrojov dostupných pre staviteľov.

O službe PlanRadar

Spoločnosť PlanRadar bola založená v roku 2013 a poskytuje inovatívne softvérové riešenia určené predovšetkým pre mobilné zariadenia v stavebnom a realitnom odvetví. Naša aplikácia je k dispozícii na všetkých zariadeniach so systémom iOS, Android a Windows a pomohla už viac ako 7 000 zákazníkom vo viac ako 44 krajinách digitalizovať ich pracovné postupy. Viac informácií o aplikácii nájdete tu.

• Stavebníctvo
• Trendy a inovácie