Je to velmi vánoční

Prof. Dr. Sandra Gelbrich a Enrico Rudolph z Ústavu lehkých konstrukcí na Technické univerzitě v Chemnitz pracují na 3D tisku. V současné době tisknou oblouky na svíčky, právě včas na Vánoce. Nepoužívají však obvyklý plast: společně se svým týmem a inovačním centrem Steinbeis vyvinuli speciální beton, který lze tisknout.

Proč děláte oblouky svíček z betonu?

Prof. Dr. Sandra Gelbrichová: Asi pět let jsme pracovali s aditivními výrobními postupy pro beton a tehdy jsme přišli na nápad vyrobit něco regionálního.

Enrico Rudolph: V souladu s adventním obdobím jsme přemýšleli o tom, co dalšího lze z betonu vyrobit. Zejména díky 3D tisku můžete vyrábět na betonové poměry poměrně jemné struktury. Proto jsme přišli s nápadem realizovat svíčkový oblouk.

Sandra Gelbrich : Chtěli jsme spojit tradici a Chemnitz jako centrum vědy - proto nás napadlo implementovat vánoční motiv jako odkaz.

Vytvořili jste pro svíčkové oblouky několik motivů?

Enrico Rudolph: Vymysleli jsme několik motivů: Kromě motivu s andělem, padající hvězdou, kostelem a vánočním stromkem jsme vytvořili také klasický motiv s horníky a erbem a také motiv se sobem, saněmi a Otcem Vánoc. Výhodou 3D tisku z betonu je, že jsme velmi flexibilní. Můžeme přejít od počítačového výkresu k hotovému tiskovému programu a realizovat jej poměrně rychle a snadno. Nepotřebujeme žádné formy a můžeme jednoduše vypustit beton z trysky a vytvořit tak naši finální konstrukci. Výroba betonu obvykle vyžaduje formu, do které se beton lije nebo stříká, což není případ 3D tisku betonu. Obrovskou výhodou je, že zde můžeme variabilně reagovat, jsme flexibilní a máme také volnost v konstrukci.

Sandra Gelbrichová: Chtěli jsme ukázat, že tato technologie 3D tisku je pro betonové prefabrikáty velmi vhodná a má velký potenciál. Nyní je na umělcích, aby se chopili nápadů a vymysleli nové konstrukce. Samozřejmě, že 3D tisk s betonem by byl velmi zajímavý i v oblasti nábytku nebo zahradní a krajinné architektury.

Prof. Dr. Sandra Gelbrichová a její tým chtějí v budoucnu posunout vývoj ještě o krok dál: Chtějí tisknout nosné prvky. "V základním výzkumu se nacházíme v bodě, kdy můžeme kombinovat různé postupy a vyrábět tímto způsobem například fasádní díly," říká Prof. Dr. Sandra Gelbrich. Chtějí například kombinovat lití betonu s 3D tiskem. To má jednu velkou výhodu: "Můžete ušetřit materiál a přitom vytvořit odpovídající pevnostní vlastnosti. Chceme tuto technologii využít k reprodukovatelné a udržitelné výrobě. " A k tomu používají speciální, vlákny vyztužený beton:

Co znamená "vyztužený vlákny"?

Sandra Gelbrich: Receptura betonu je jemný beton s relativně jemnou maximální velikostí zrn. Tato receptura jemného betonu je navíc vyztužena krátkým skelným vláknem odolným vůči alkáliím. Lze si to představit jako jakési malé jehly, které jsou začleněny do procesu míchání betonu.

Co je na této receptuře zvláštního?

Sandra Gelbrich: Vyvinuli jsme vlákny vyztuženou vysokopevnostní směs jemného betonu se speciálními vlastnostmi. Beton musíme čerpat přes poměrně dlouhou hadici. To znamená, že musí být na jedné straně čerpatelný, ale na druhé straně musí mít určitou stabilitu, abychom mohli tisknout několik vrstev na sebe. Proces tvrdnutí je nastaven tak, abychom mohli prefabrikovaný betonový prvek manupulovat již po několika hodinách. Jak dlouho trvá jeho vytvrzení? Sandra Gelbrichová: Běžný beton potřebuje 28 dní k úplnému ztvrdnutí. My odléváme po 12 hodinách. V té době je již betonový oblouk tak pevný, že jej lze přepravovat.

O 3D tisk svíčkového oblouku se starají dva roboti. Jeden z nich dokáže dopravit beton a aplikovat motiv. Druhý pak přebírá dokončovací práce: Může frézovat, tj. zajistit hladký povrch, nebo vytvářet drážky a vkládat spojovací prvky či optická vlákna.

Jak roboti vědí, co mají dělat?

Enrico Rudolph: Máme program CAD (pozn. redakce: program, ve kterém počítač přebírá technické kreslení), jak ho známe ze strojírenství, a můžeme s jeho pomocí nakreslit oblouk svíčky jako 3D geometrii. Tu pak přeneseme do jiného programu, který 3D geometrii rozdělí na vrstvy. Náš oblouk svíčky má například tloušťku tři centimetry, přičemž každá z vrstev je vysoká jeden centimetr. Pomocí programu přenesu vnější dráhy vrstev do odpovídajících pohybů robota. K tomuto účelu jsme vyvinuli vlastní software, s jehož pomocí lze rychle a snadno přenášet a realizovat nové varianty konstrukce. Během půl hodiny mám nový návrh hotový a mohu jej přenést na tiskového robota. Stačí několik kliknutí myší a modely CAD lze velmi rychle změnit a například oblouk svíčky může být o pět centimetrů silnější.

Sandra Gelbrichová : Programování bylo jednou z našich hlavních oblastí výzkumu a v posledních pěti letech jsme ho rozvíjeli: tuto možnost zadávání, parametrizaci, ale také materiál a technologii. Nyní spolupracujeme s firmami na vývoji produktů.

Co je inovativního na způsobu, jakým jste vytiskli oblouk svíčky?

Sandra Gelbrich: Primárním cílem bylo, aby se technologie 3D tisku "hodila" pro prefabrikované betonové konstrukce. Inovativní je vývoj celého hodnotového řetězce - od návrhu až po hotový díl. Prvním krokem byla parametrizace forem, abychom mohli rychle dospět ke geometrii a plánování cesty. Dalším úkolem bylo zajistit, aby čerpání jemného betonu vyztuženého vlákny fungovalo rovnoměrně, aby nedocházelo k úbytkům materiálu, aby beton neztuhl v hadici, ale mohl se nanášet ve vrstvách ve variabilních tvarech a po vypuštění cíleně ztuhnout - v podstatě celý řetězec vývoje materiálu a technologie. Nepoužívá se klasický beton, ale vysoce komplexní systém sedmi materiálů, jehož komponenty jsou přesně sladěny. Dalším inovativním prvkem je kompletní technologie, která je reprodukovatelná a automatizovaná a která bude brzy společně s partnery projektu převedena do sériové výroby.

Svíčkové oblouky jsou již nasvícené, dostanou také barvu?

Sandra Gelbrichová: Nyní pracujeme s bílým betonem a mohl by být vyroben v téměř jakékoliv barvě. Takže neonově růžová není možná (smích), ale lze do nich zakomponovat různé jiné barvy betonu. Už máme firmy, které mají zájem o tisk ve dvou barvách. Ale pro nás je svíčkový oblouk referencí, která ukazuje, co je celkově možné. Nyní musíme najít společnosti, které chtějí tuto technologii rozvíjet. Čím více ukážeme, co je možné, tím více se probudí kreativita.

Kde byste chtěli svíčkové oblouky postavit?

Sandra Gelbrichová: Několik svíčkových oblouků již stojí na zahradách zaměstnanců a jeden v budově našeho institutu. Náš děkan Fakulty strojního inženýrství, profesor Lampke, už jeden dostal a zřídil ho v budově ústavu. Pokud bychom měli přednášky na místě, ráda bych jeden umístila i do budov našich přednáškových sálů, abychom studentům ukázali, co je možné s aditivními výrobními procesy. Možná bychom tímto způsobem přilákali ke studiu v Chemnitz více studentů.

Jaké jsou vaše naděje pro rok 2025, kdy bude Chemnitz hlavním městem kultury?

Sandra Gelbrich: Že budeme moci ukázat více z toho, co na univerzitě vyvíjíme. Ráda bych, aby se konala nějaká soutěž, která by ukázala, co děláme: Je tu nápad a ten hledá realizátory. Abychom spolupracovali s umělci a designéry a ukázali, co můžeme v Chemnitzu vyvinout a realizovat. Vždycky je pro nás velmi důležité, abychom nevyvíjeli "do šuplíku", ale abychom spolupracovali na uvedení vývoje do praxe. V Sasku jsme velmi silní. Máme velké množství malých a středních firem, se kterými to můžeme dělat společně. A měli bychom to také více propagovat.