Sinumerik řídí 3D tiskárnu betonu firmy Podzimek

Když se syn současného ředitele stavební firmy Podzimek a synové Martina Podzimka v rámci své diplomové práce na Fakultě stavební ČVUT v Praze zabýval 3D tiskem ve stavebnictví, vznikla ve firmě myšlenka pokusit se vlastními silami zkonstruovat stroj, který by dokázal tisknout betonové konstrukce podobně, jako menší 3D tiskárny tisknou díly z plastu nebo kovu. Spojení stavební firmy a sesterské strojírenské firmy bylo pro tento záměr ideální.

Rodinná firma Podzimek a synové je stavební podnik se 125letou tradicí. Založil ji městský stavitel a přísežný odhadce Josef Podzimek roku 1896. Firma přestála mnohá historická úskalí a zvraty, přežila dvě světové války, ničivý požár i budování socialismu a v roce 1993 byla restituována ve prospěch Ing. Josefa Podzimka. Vrátila se k názvu Podzimek a synové a navázala na tradici stavební činnosti. Stěžejní náplní stavební výroby jsou rekonstrukce historických objektů, individuální výstavba a průmyslové stavby. Sesterská firma Strojírny Podzimek navrhuje a vyrábí zařízení pro kamenoprůmysl a vodní hospodářství, například pásové dopravníky a podavače nebo konstrukce pro vodní uzávěry, klapky nebo vrata plavebních komor a jezů.

Jako domácí 3D tiskárna. Jen stokrát větší

Při různých experimentech s 3D tiskem z betonu se obvykle používá robotické rameno, které na konci nese tiskovou hlavu nanášející betonovou hmotu podél naprogramované dráhy. Jenže velikost tisknuté konstrukce je potom omezena dosahem robotu. Roboty jsou navíc většinou určeny do prostředí továrních hal, nikoliv do venkovního prostředí.

Portál se pohybuje po kolejnicích. To je první, podélná osa. Samotný portál potom zajišťuje tiskové hlavě pohyb v dalších dvou osách, svisle a příčně.

Foto: Siemens

Firma Podzimek proto zvolila jiné řešení: portálovou tiskárnu, která nese tiskovou hlavu na svém příčníku. Jde o obdobu malých stolních tiskáren, jen rozměry jsou značně větší: pracovní prostor tiskárny firmy Podzimek má výšku 5,5 m, šířku 7,5 m a délku 15 m. Konstrukce je opatřena dělicími místy s mechanickými a elektrickými rozhraními, takže ji lze snadno rozebrat a převézt na místo stavby. Tvůrci tiskárny uvádějí, že jde o největší 3D tiskárnu v Evropě.

Nesmí tuhnout pomalu ani rychle

Při 3D tisku z betonu je třeba překonat množství problémů spojených nejen s konstrukcí samotného stroje, ale také se zpracováním tiskové hmoty a regulací jejích vlastností. To byl jeden z důvodů, proč na to obě zúčastněné firmy, Podzimek a synové a Strojírny Podzimek, nechtěly zůstat samy a k projektu přizvaly odborníky z Fakulty stavební a Fakulty strojní ČVUT v Praze. Pracovníci Ústavu konstruování a částí strojů Fakulty strojní navrhli kompletní konstrukční část 3D tiskárny včetně systému dopravy tiskové směsi k tiskové hlavě hadicí dlouhou až 40 m, zatímco pracovníci Fakulty stavební vyvíjejí vhodnou směs, která by tisk umožnila.

Právě návrh vhodné směsi je pro tiskárnu klíčový. Výzkumníci brzy zjistili, že musí použít velmi jemnozrnnou směs. V podstatě se tak netiskne z betonu, ale z cementové malty. Komplex vlastností, které musí hmota splňovat, pojmenovali výzkumníci „tisknutelnost“. V principu jde o to, že hmota, kterou tryska tiskárny nanáší, musí být „hladká“, aby bylo možné nanést kontinuální vrstvu směsi, a současně musí rychle tuhnout, aby během nanášení jedné vrstvy stihla ztvrdnout natolik, aby unesla další vrstvu. Nesmí však tuhnout příliš rychle, aby nezatuhla už v hlavici a aby měli pracovníci čas hlavici vyčistit při přerušení činnosti stroje. Nesmí se rozmývat a nesmí praskat vlivem hydratačního tepla, které se uvolňuje po smíchání cementu s vodou. Navíc je třeba regulovat průtok tryskou a rychlost pohybu hlavy, aby bylo dosaženo požadované tloušťky vrstvy, zároveň však pohyb nesmí být příliš rychlý, aby předchozí vrstva stihla zatuhnout. Proto se malé díly musí tisknout pomaleji než ty velké. Aby to nebylo tak jednoduché, rychlost tuhnutí závisí také na teplotě. V horkých dnech se tuhnoucí beton pomaleji ochlazuje, voda se hydratačním teplem více odpařuje a materiál je náchylnější k praskání.

Programování jako u běžné frézky

Portál tiskárny se pohybuje po kolejnicích. To je první, podélná osa. Samotný portál potom zajišťuje pohyb ve dvou osách, příčně a svisle. Kinematicky tedy jde o stejný mechanismus jako například u portálové frézky. Firma V‑tom Engineering, která měla na starosti dodávku pohonů, elektrovýbavy a řídicího systému, proto mohla pro řízení stroje zvolit systém Siemens Sinumerik 840D sl. Výhodu této volby vysvětluje Martin Podzimek: „Každý absolvent průmyslovky, který umí programovat obráběcí stroj, dokáže programovat i tuto portálovou 3D tiskárnu.“ Jediný rozdíl je v tom, že u frézky se nastavují otáčky vřetene, zde je to rychlost podávacího čerpadla u tiskové hlavy.

Řídicí systém 3D tiskárny Siemens Sinumerik 840D sl dokáže programovat každý absolvent průmyslovky, který umí programovat obráběcí stroje.

Foto: Siemens

„První čerpadlo je ovládáno snímačem polohy hladiny ve vyrovnávací nádrži. Teprve druhé čerpadlo má plynule regulované otáčky, abychom v kombinaci s rychlostí pohybu dosáhli optimálního průřezu vrstvy,“ říká Václav Růžička z konstrukce společnosti V‑tom Engineering. Přesto i návrh prvního čerpadla byl technickým oříškem: musí totiž dopravit směs hadicí o délce 40 m. To, co fungovalo v simulačním modelu i ve zmenšeném prototypu, na reálném stroji najednou fungovat nechtělo. Jen zkouškám a odlaďování tohoto čerpadla se výzkumníci věnovali půl roku.

K programování tiskárny se tedy používají stejné softwarové nástroje jako k programování obráběcího stroje. Cílem je plně zautomatizovat i proces přípravy výroby: podle výkresu se automaticky vygeneruje program dráhy tiskové hlavy, ten se přenese do stroje a spustí se tisk. K tomu je ale ještě dlouhá cesta. Jak prozrazuje Adam Koncer, vedoucí technické podpory pro obráběcí stroje firmy Siemens, uvažuje se o využití modulu aditivní výroby v CAD/CAM systému NX.

Sériová výroba a svobodnější tvary

A jaké jsou výhody 3D tisku ve stavebnictví? Za prvé je to úspora materiálu. To je stejné jako u 3D tisku z jiných materiálů – tiskárna umožňuje nevyplňovat objem výrobku materiálem tam, kde to z technického hlediska není nutné. Za druhé je to úspora času výstavby a počtu pracovníků. Pro architekty je pak výhodou větší svoboda tvarosloví – 3D tiskem je možné realizovat tvary, které jsou jinými technologiemi těžko zhotovitelné.

Další výhodou je snadná replikovatelnost. Mají‑li se vyrábět například unifikované účelové stavby nebo betonové součásti městského mobiliáře, je možné vytvořeným programem tisknout třeba jednu lavičku jako druhou. A v neposlední řadě je to atraktivita tištěných staveb pro investory i zákazníky. Je to něco nového, technologicky převratného a přitažlivého.