Druk 3D w budownictwie

Drukowanie przestrzenne, druk 3D polega na budowaniu detalu przez nanoszenie materiału na siebie warstwa po warstwie. W zależności od rodzaju technologii addytywnej, materiał budulcowy może stanowić tworzywo sztuczne, żywice światłoutwardzalne, stopy metali, ceramika lub biochemikalia. Technologie wytwarzania addytywnego znalazły zastosowanie w prototypowaniu ze względu na krótki czas wytwarzania oraz łatwość modyfikacji. Dodatkowo w odróżnieniu od konwencjonalnych technologii produkcji, technologie przyrostowe znacznie zmniejszą ilość odpadów, ponieważ materiał wejściowy nie jest pełnym profilem. Postępy w technologii druku 3D, pierwotnie stosowanej do prototypowania na małą skalę, doprowadziły do stworzenia pełnowymiarowych konstrukcji, takich jak mosty i domy, a nawet propozycji pierwszej marsjańskiej bazy. Obecnie coraz częściej poszukuje się zastosowań druku 3D dla tworzenia nietypowych, wielkogabarytowych elementów.

Wykorzystanie druku 3D w budownictwie

Początek zastosowania druku 3D w budownictwie przypisuje się na 2010 r., kiedy to zaprezentowano proces nazwany Contour Crafting, czyli tworzenie konturów za pomocą maszyny kartezjańskiej z wytłaczarką do betonu. Obecnie dominuje nazwa 3D Construction Printing lub 3D Concrete Printing 3DCP (Druk 3D w budownictwie lub Druk 3D betonem), Na przestrzeni ostatnich lat obserwuje się coraz większe zainteresowanie budową za pomocą technik przyrostowych. Przewagą druku 3D nad tradycyjnym budownictwem jest niewątpliwie czas realizacji inwestycji oraz możliwość tworzenia niestandardowych projektów, co jest ogromną zaletą w wielu szczególnych projektach. Możliwość szybkiej odbudowy zniszczeń po klęskach żywiołowych takich jak pożary, powodzie, trzęsienia ziemi czy wojny pozwoli w krótszym czasie zniwelować skutki kryzysów humanitarnych i odbudować domostwa. Obecnie wiele realizacji budowy budynków przy wykorzystaniu technologii addytywnych ma charakter koncepcyjny, jednak istnieje już wiele zamieszkałych budowli.

Druk 3D daje możliwość tworzenia unikalnych budowli, których powstanie z wykorzystaniem konwencjonalnych technik budowlanych byłoby zbyt kosztowne, a w niektórych przypadkach wręcz niemożliwe. Niektórzy twierdzą, że aby jak najlepiej wykorzystać proces druku 3D, należy wziąć pod uwagę wysoki stopień swobody projektowania, jaki zapewniają te technologie. Dotyczy to również budownictwa i architektury, gdzie innowacyjność i kreatywność są szczególnie promowane. Nieodłączna natura druku 3D pozwala na produkcję skomplikowanych kształtów bez większego wysiłku, np. drukarka 3D do betonu może wykonać proste oraz misternie zakrzywione ściany. Niekonwencjonalna architektura może poprawić wygląd budynków z zewnątrz, a także zoptymalizować przestrzenie wewnętrzne.

Największy budynek wykonany w tej technice znajduje się w Dubaju. Jego powierzchnia zajmuje 640 m2. Lekka konstrukcja budowli to efekt wykorzystania mieszanki gruzów budowlanych, cementów oraz innych odpadków z recyklingu. „Wydrukowana” konstrukcja osadzona jest na tradycyjnie zbudowanych fundamentach.

Warto również wspomnieć o innych imponujących obiektach, np. o pełnowymiarowym moście znajdującym się w Amsterdamie, który ma aż 12 m długości i został wydrukowany przestrzennie w technologii spawania łukowego WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) przez firmę MX3D. Konstrukcja została oddana do użytku w 2021 r. Most wytworzony w technologii WAAM jest także „żywym laboratorium”. Konstrukcja naszpikowana jest dziesiątkami czujników, które przez cały czas użytkowania zbierają dane na temat działania tej konstrukcji. Dane te w przyszłości pozwolą zadecydować o realizacji kolejnych eksperymentów. Technologia WAAM polega na napawaniu stopów metali warstwa po warstwie. Najczęściej stosowanym materiałem jest stal, stopy aluminium, stal nierdzewna. Drukarki korzystające z tej technologii najczęściej zbudowane są na bazie robotów przemysłowych.

Wytwarzanie wielkogabarytowych obiektów w Łukasiewicz – PIAP

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP prowadzi prace związane z rozwojem technologii przyrostowych w wielkogabarytowej odsłonie, które są związane z opisywanymi technologiami. Wspólne z polskim liderem firmą Rebuild prowadzi projekt badawczy dotyczący opracowania innowacyjnego systemu produkcji kastomowych, wielkogabarytowych elementów, spełniający założenia gospodarki o obiegu zamkniętym. Rozwiązaniem opracowywanym w ramach projektu będzie wielkogabarytowa drukarka 3D z możliwością drukowania szalunków XPS o dużej dowolności kształtu oraz właściwości samego materiału budowlanego. System zapewni jednoczesną produkcję zarówno jednostkową, jak i seryjną, umożliwiając łatwą i efektywną personalizację produkowanego asortymentu, czyli produkcję na żądanie. Zakłada się, że produkcja ta będzie produkcją bezodpadową, w której materiał, który jest tymczasowym odpadem podczas obróbki skrawaniem zostanie ponownie użyty w produkcji przyrostowej. Rozwiązanie skierowane będzie do firm budowlanych, zajmujących się przede wszystkim wytwarzaniem ścian prefabrykowanych w technologii okładzin traconych, ale także innych produktów, takich jak rzeźby architektoniczne, wyroby kompozytowe.

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP jest właścicielem autorskiego centrum do wytwarzania wielkogabarytowych obiektów trójwymiarowych ze stopów metali w technologii WAAM. Stanowisko zbudowane jest na bazie robota przemysłowego KUKA i umożliwia drukowanie obiektów ze stopów stali, aluminium oraz stali nierdzewnej. Centrum addytywne do napawania wyposażone jest w najnowocześniejsze oprogramowanie oraz sprzęt, który pozwala zrealizować wytwarzanie obiektów wysokiej jakości. Należy również wspomnieć o wirtualnym bliźniaku, za pomocą którego operator może zdalnie komunikować się ze sprzętem.

W najbliższym czasie w Łukasiewicz – PIAP planowane jest rozpoczęcie prac związanych z wykorzystaniem wielkoformatowego centrum do wytwarzania przyrostowego. Będzie to produkcja modeli przestrzennych z recyklingu tworzyw sztucznych (początkowa faza projektu oparta tylko na bazie gotowego granulatu). Wpisuje się to w kanon zrównoważonej gospodarki oraz obiegu zamkniętego, co w ostatnim czasie jest niezwykle popularne. 

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP
Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa,
tel. 22 8740 196, kom. 603 714 725

źródło: Automatyka 10/2023