Kritické zhodnocení obecné použitelnosti technologie 3D tisku v podmínkách technologických a materiálových omezení.

Abstract

Technologie 3D tisku z betonu je od svého prvního masivnějšího proniknutí do mediálního prostoru po roce 2007 mnohými pasována do role gamechangera, který změní budoucí tvář stavební výroby a podobu budov jako takových. Do vývoje této robotické technologie bylo v posledních deseti letech v globálním měřítku investováno velké množství úsilí i prostředků, přesto nejsme ani po letech svědky jejího masivního pronikání na staveniště. Tato práce se snaží popsat specifika technologie 3D tisku z betonu i tiskového materiálu a odpovědět na otázku, jaké oblasti jsou klíčové pro využitelnost 3D tisku vytlačováním jednokomponentních směsí při výrobě prefabrikátů s vysokými požadavky na kvalitu. Práce je podpořena více než šestiletou zkušeností autora s tématem práce a praktickými dovednostmi, nutnými pro jeho zvládnutí, tj. návrhem a stavbou tiskáren, výrobou výtlačných trysek a tiskových hlav, přípravou a zkoušení tiskových materiálů i programováním ovládacích skriptů. Autor v úvodu práce shrnuje dosavadní stav poznání v oblasti 3D tisku vytlačováním malty. V hypotéze pojmenovává kritické oblasti, jejichž zvládnutí bude klíčové pro praktické využití technologie. V návazné části navrhuje metody pro dosažení cílů práce. Popisuje postup návrhu tiskových materiálů a možné způsoby návrhu ovládacích skriptů. Zabývá se použitelností vybraných zkušebních metod pro ověření parametrů tiskového materiálu. Na konkrétních případových studiích poté v praktické části demonstruje úskalí, provázející proces tisku z důvodu specifik strojního zařízení, kolísání kvality vstupních surovin i vlivu okolního prostředí na proces 3D tisku i na kvalitu finálního výtisku. Autorem získané výsledky jsou dále podrobeny analýze s cílem posoudit jednotlivé aspekty procesu přípravy materiálu i samotného tisku. V závěru poté shrnuje provedené poznatky a naznačuje podmínky využitelnosti dané technologie 3D tisku v praxi.

Since its first massive media breakthrough after 2007, the concrete 3D printing technology has been hailed by many as a game-changer that would change the future face of construction manufacturing and the face of buildings in general. A great deal of effort and resources have been invested in the development of this robotic technology on the global scale over the past decade, yet even after all these years, we have not witnessed its massive deployment on the construction site. This thesis seeks to describe the specifics of the concrete 3D printing technology from both technology and material perspective and to answer the question of what are the key areas regarding applicability of the 3D printing by extruding one component mixtures in the production of concrete components with high quality requirements. The work is supported by the author's more than six years of experience with the topic of the thesis and the practical skills required to master it, i.e. designing and building printers, manufacturing extrusion nozzles and print heads, preparing and testing printing materials and programming the controlling scripts. In the introduction of the thesis, the author summarizes the current state of knowledge in the field of 3D printing by mortar extrusion. In the hypothesis, he names critical areas, the mastery of which will be crucial for the practical application of the technology. In the following sections, methods for achieving the objectives of the thesis are proposed. The process of designing printing materials and possible ways of designing the controlling scripts are described and the applicability of selected test methods for verifying print material parameters is discussed. Then, using specific case studies, the practical part demonstrates the pitfalls accompanying the printing process due to the specifics of the machinery, variations in the quality of input raw materials and the influence of the surrounding environment on the 3D printing process and the quality of the final print. The results obtained by the author are further analysed in order to assess individual aspects of the material preparation process and the printing process itself. In the conclusions, the author summarizes the findings and suggests the conditions for the applicability of the 3D printing technology in practice.