Betonowe marzenia - technologia druku 3D w budownictwie

Technologia druku 3D ma bardzo obiecujące zastosowania w budownictwie – można już drukować prefabrykowane elementy, które są następnie transportowane na plac budowy. Projekt badawczy realizowany na Politechnice w Libercu - Czechy - ma na celu stworzenie mobilnego robota, który będzie mógł drukować całe budynki na miejscu. Zespół wykorzystuje sterowniki, napędy, panele operatorskie i rozwiązania programowe B&R do sterowania głowicą drukującą tego przełomowego robota.

Pierwsze drukarki 3D wykorzystywane w architekturze pełniły rolę pomocniczą w procesie projektowania: służyły do tworzenia plastikowych makiet na potrzeby pokazów i prezentacji. Teraz, większe drukarki zaczynają wytwarzać betonowe elementy wykorzystywane przy budowie rzeczywistych budynków. Na Politechnice w Libercu zespół naukowców przygotowuje się już do kolejnego kroku w tej ewolucji: mobilnych robotów, które będą drukować bezpośrednio na placu budowy.

Technologia druku 3D obiecuje ekscytujące korzyści w dziedzinie budownictwa. Elementy budynków są obecnie drukowane z mieszanki betonu i materiałów zbrojeniowych. Nowe możliwości projektowe stanowią źródło inspiracji dla kreatywności architektów, a produkcja samych elementów jest znacznie bardziej ekonomiczna. Ponieważ elementy te nie wymagają wielkich szalunków, które są niezbędne w przypadku konwencjonalnych konstrukcji monolitycznych, generują również mniejszą ilość odpadów.

Te eksperymentalne metody są niezwykle ekscytujące, jednak w obecnym stanie rozwoju mają jeszcze wiele wad. Elementy są wytwarzane w hali produkcyjnej, a następnie muszą być transportowane na plac budowy. Pojazdy używane do transportu nakładają ograniczenia na wymiary elementów i generują znaczne koszty logistyczne oraz oddziałują na środowisko. Obecne systemy drukują tylko pionowe elementy budynku, podczas gdy poziome płyty stropów i podłóg są tworzone przy użyciu konwencjonalnych metod.

Projekt badawczy 3D Star realizowany na Politechnice w Libercu (TUL) w Czechach ma na celu eliminację tych wad i drukowanie całych wielopiętrowych budynków – łącznie z podłogami i stropami – bezpośrednio na placu budowy. Naukowcy chcą osiągnąć ten efekt za pomocą mobilnego robota do druku 3D o nazwie Printing Mantis – ze względu na podobieństwo ramienia robota do wydłużonych przednich kończyn modliszki (ang. praying mantis). Projekt jest realizowany we współpracy z Instytutem Teorii Informacji i Automatyki Akademii Nauk Republiki Czeskiej oraz Instytutem Kloknera Politechniki Czeskiej w Pradze i korzysta ze sterowników, napędów, paneli operatorskich i oprogramowania firmy B&R.

Jiří Suchomel z Wydziału Sztuki i Architektury TUL przewiduje, że drukowanie na miejscu za pomocą robota Printing Mantis pozwoli architektom na jeszcze większą kreatywność w realizacji skomplikowanych kształtów z niespotykaną dokładnością 2-3 milimetrów. Robot będzie składał wielopiętrowe budynki na miejscu, jak duże klocki Lego. „Poziome płyty będą drukowane na ziemi i podnoszone na właściwe miejsce, natomiast pionowe ściany będą drukowane bezpośrednio w miejscu docelowym” – opisuje Suchomel. „Wszystko bezpośrednio na placu budowy.”

Produkcja cementu ma znaczący wpływ na środowisko, a zasoby kruszyw i żwiru dodawanych do produkcji betonu są ograniczone. „Dlatego chcemy budować lekkie, cienkościenne konstrukcje betonowe z niekonwencjonalnym zbrojeniem” – wyjaśnia Suchomel. „W sposób znaczący zmniejszy to zużycie materiałów.”

Drukarki 3D, z którymi większość z nas jest zaznajomiona, wykorzystują proszki i tworzywa sztuczne. Adaptacja tego rozwiązania do wydrukowania domu wymaga znacznie więcej niż tylko zastąpienia tych materiałów konwencjonalnym betonem. Już sama mieszanka cementowa stanowi duże wyzwanie. Musi być na tyle elastyczna, aby dało się nią drukować, a jednocześnie na tyle szybko twardnieć, aby utrzymać kolejne warstwy. Zwykły beton dojrzewa przez 28 dni, ale drukowana konstrukcja musi być w stanie utrzymać się sama natychmiast.

Innym kluczowym wyzwaniem jest zapewnienie robotowi możliwości drukowania ścian o praktycznie dowolnej krzywiźnie, w tym załamań oraz wprowadzania ostrych kątów i przerw. „To ważne, aby dać architektom maksymalną swobodę” – mówi jeden z głównych projektantów Con4Bota, docent Václav Záda z Instytutu Mechatroniki i Inżynierii Komputerowej TUL. Dzięki konstrukcji Con4Bota, gdy efektor końcowy na chwilę przestaje drukować, na przykład po to, by zostawić miejsce na drzwi lub okno, reszta robota może kontynuować ruch. „Duży robot jest w stanie zachować swoją znaczną energię kinetyczną” – mówi Záda – „a to jest coś, czego nie potrafią inne maszyny.”

Po ukończeniu, Printing Mantis będzie obrotowym i przesuwnym ramieniem robotycznym o zasięgu poziomym do 5,6 metra i pionowym do 3,3 metra. Projekt realizowany jest przy użyciu dwóch rozwiązań testowych. Pierwszym z nich jest robot SCARA. Obecnie testowany w skali 1:4, wersja pełnowymiarowa będzie mogła być później transportowana standardowym samochodem ciężarowym. Drugie rozwiązanie to robot kartezjański w Instytucie Kloknera w Pradze, gdzie naukowcy testują i rozwijają głowicę drukującą wraz z różnymi mieszankami materiałów budowlanych.

Po dziesięciu latach współpracy z B&R, zespół badawczy wiedział, że elementy automatyki zapewnią nie tylko niezbędną wydajność, ale także skalowalność, która pozwoli na rozwój wraz z robotem na przyszłych etapach rozwoju i wdrażania. „Stworzyliśmy rozwiązanie automatyzacji, które może sprostać wszelkim nowym wymaganiom, które pojawią się w przyszłości” – mówi inżynier B&R Tomáš Kohout.

System napędowy obejmuje osie z wieloobrotowymi enkoderami absolutnymi, serwomotory, modułowy system sterowania i zaawansowane funkcje bezpieczeństwa. „Zintegrowany system sterowania ruchem B&R sprawia, że praca z tym rozwiązaniem jest bardzo przyjemna, zarówno dla projektantów, jak i dla przyszłych operatorów” – mówi Leoš Beran z Instytutu Mechatroniki i Inżynierii Komputerowej TUL. „Rozwiązanie jest wyjątkowo skalowalne na przyszłość, co jest szczególnie ważne w przypadku tak nowatorskiego projektu badawczego jak ten.”

Efektor końcowy głowicy drukującej robota jest obsługiwany przez system sterowania B&R. Rdzeń oprogramowania do druku 3D oparty jest na standardowych komponentach CNC firmy B&R. Dodatkowo, zestaw narzędzi technologii mapp firmy B&R dostarczył gotowe komponenty oprogramowania, które uchroniły zespół przed koniecznością programowania podstawowych funkcji, takich jak obsługa receptur i zarządzanie użytkownikami.

Oprogramowanie sterujące działa na potężnym komputerze przemysłowym z serii Automation PC firmy B&R. „Oprócz oprogramowania sterującego, komputer Automation PC będzie również obsługiwał aplikację HMI opartą na technologii webowej” – mówi Kohout. Aplikacja HMI jest wyświetlana na panelu Automation Panel 5000 w specjalnej wersji, zamocowanym na ramieniu obrotowym. „Wysokiej klasy interfejs HMI zapewnia dużą elastyczność i ergonomię sterowania” – zauważa Kohout – „a webowa aplikacja HMI może być równie łatwo wyświetlana na komputerze PC, smartfonie lub tablecie.”

Nie wiadomo, kiedy i gdzie robot Printing Mantis stworzy swój pierwszy wielopiętrowy budynek działając bezpośrednio na placu budowy. Zależy to między innymi od postępu prac nad przepisami budowlanymi dotyczącymi konstrukcji drukowanych. Jedno jest jednak pewne: dzięki partnerstwu z B&R w dziedzinie automatyki, zespół badawczy ma dostęp do szerokiej oferty elastycznych, skalowalnych rozwiązań – i może szybko i łatwo dostosować Printing Mantis do wszelkich wyzwań, jakie ten robot napotka drukując budynki przyszłości.