Dvofilamentni 3D tisk z betonom in zemljino

3D tiskanje je poljudni izraz za računalniško vodeno aditivno proizvodnjo, kjer oblikovanje izdelka poteka z dodajanjem, namesto z odvzemanjem materiala. Sam koncept aditivne proizvodnje ni nov, vendar pa razvoj računalnikov odpira nove možnosti. S tehnološkim razvojem se uporabnost 3D tiska širi tudi na področje gradbeništva, kjer je beton zaradi svojih lastnosti in široke uporabnosti v središču pozornosti. Poraba betona predstavlja ~80 % celotne porabe materialov, zato lahko tehnologija 3D tiskanja z betonom pomembno prispeva k digitalizaciji in avtomatizaciji na področju gradbene proizvodnje. Uvedba digitalnih metod pa bo spremenila tudi načine oblikovanja objektov, saj je topološko optimirane konstrukcije, kjer je poraba materiala minimizirana, geometrijska oblika pa kompleksna, možno načrtovati in proizvajati izključno z digitalnimi metodami. Najobetavnejši način 3D tiska z betonom je ekstruzijsko tiskanje, kjer se beton črpa do tiskalne glave, na kateri je ekstruzijska šoba pravokotnega ali okroglega prereza. Premikanje tiskalne glave omogoča bodisi artikulirana robotska roka bodisi portalni žerjav. Obnašanje betonskega filamenta po ekstruziji je odvisno on njegovih reoloških lastnosti. Medtem ko trdoplastični beton omogoča nalaganje večjega števila slojev brez porušitve, pa je sprijemljivost med filamenti slaba. Mehkoplastični filamenti se dobro sprijemajo, vendar pa se pod težo naloženih slojev sesedejo. Sistemi za ekstruzijsko tiskanje z betonom se zato zanašajo na manipulacijo reoloških lastnosti in uporabo pospešil, kar pa zahteva specialna znanja in opremo za testiranje, oboje pa presega kapacitete gradbene industrije. V projektu torej predlagamo tiskanje z dvema filamentoma, kjer mehkoplastični filament poveže sloje trdoplastičnih filamentov, slednji pa ustvarjajo stabilnost tiskanega izdelka. Projektiranje tovrstnih filamentov je nezahtevno. Za konstrukcijsko analizo tiskanih elementov so primernejše metode za zidane konstrukcije, kar je še toliko bolj očitno pri dvofilamentnem tisku. Zidane konstrukcije vzbudijo asociacije na opečne konstrukcije, oblikovanje opečnih zidakov pa poteka z ekstruzijo. To nas privede na idejo, da bi tehnologijo dvofilamentnega 3D tiska lahko uporabili tudi za izdelavo zgradb iz zemljine. Gradnja z nežgano zemljino, ki vsebuje ustrezni delež gline, je starodavna gradbena tehnika, ki v sodobnem času ponovno pridobiva na veljavi, predvsem zaradi okoljskih koristi in dostopnosti. Vendarle pa je za uspešno implementacijo nujno potreben razvoj digitalnih proizvodnih kapacitet, saj je pomanjkanje tehnologije za gradnjo z zemljino prepoznano kot tehnična ovira. Cilji projekta so torej opredeljeni kot: razviti tiskalno glavo z dvema šobama in izdelati manjši prototip tiskalnika za dvofilamentni tisk; opredeliti reološke parametre za oba filamanta, trdoplastični in mehkoplastični filament, tako za beton kot za zemljino, ter zastaviti sistem preprostih testnih metod, s katerimi je možno ugotoviti primernost filamentov; demonstrirati dvofilamantno 3D tiskanje z betonom in z zemljino na manjšem konstrukcijskem elementu, konstrukcijska elementa preizkusiti in rezultate primerjati s konstrukcijsko analizo izpeljano iz principov zidanih konstrukcij. Osrednja rezultata projekta sta prototip tiskalnika in demonstracija tiskanja z dvojnim filamantom in sicer z betonom in zemljino, kar bomo predstavili v promocijskem videoposnetku. Rezultati v javni domeni bodo obsegali še poročilo o lastnostih filamentov iz betona in zemljine ter protokol in rezultate konstrukcijske analize. Zaupni rezultati bodo obsegali specifikacije lastnosti tiskalnika in načrte za izdelavo posameznih delov ter celotnega tiskalnika. Pričakujemo, da bodo javni rezultati objavljeni v vsaj dveh znanstvenih in vsaj dveh strokovnih publikacijah, tiskalnik pa bomo predstavili bodisi na javni delavnici ali sejmu. Zaupni rezultati bodo predvidoma predmet najmanj ene patentne prijave.