Stavebný priemysel patril spolu s poľnohospodárstvom k tým odvetviam, kde sa moderné technológie presadzovali najpomalším tempom. Zmenil sa tento stav za posledné obdobie? V ktorých procesoch výroby stavebných hmôt a materiálov má automatizácia priestor na svoje uplatnenie?
Nedávno som mal možnosť preštudovať si prieskum, ktorý sa uskutočnil v USA, a z jeho výsledkov vyplynulo, že stavebný priemysel je jedným z odvetví s najnižšou efektivitou a, čo je trochu paradox v porovnaní s inými odvetviami, že jeho produktivita dokonca klesla. Stavebný priemysel sa z tohto pohľadu javí ako nejaký uzavretý organizmus, v rámci ktorého sa nenašiel nikto, kto by inicioval proces zvyšovania efektivity. V súčasnosti sa tým motorom zmien môže stať skutočnosť, že začína byť na trhu nedostatok cenovo dostupného bývania pre mladých ľudí. Mnohí z nich hľadajú rôzne alternatívne cesty a nie je výnimkou, že sú to často „exotické“ stavby, ako mobilné domy, juty a pod.
Ako firma, ktorá vyrástla na riešeniach pre automobilový priemysel, vidíme možnosti, ako aj v stavebnom priemysle zvyšovať úroveň produktivity a prinášať nové biznis možnosti práve prostredníctvom nasadzovania moderných systémov automatizácie. Nie som odborník na stavebníctvo a na to celé dianie sa dívam takpovediac z nadhľadu. Do istej miery to však považujem aj za výhodu, pretože nie sme zviazaní doterajšími konvenciami a otvárajú sa nám tak možnosti prichádzať s inovatívnymi nápadmi do tohto odvetvia. V súčasnosti sme jedna z mála automatizačných firiem na svete, ktoré sa začali venovať 3D tlači so vstupným materiálom betónom.
Na začiatku sme zvažovali prísť s robotom, ktorý by dokázal postaviť stenu z tehál. Po čase nám však došlo, že tehly sú síce materiálom, ktorý sa už nejaké to tisícročie, od čias stavby pyramíd, používa, ale po nahliadnutí do prírody sa nám nezdali ako stavebný prvok budúcnosti. Našou inšpiráciou sa stali organicky rastúce koraly, ktoré prirodzeným spôsobom dokážu vytvárať celé „stavby“. Na druhej strane je pravda, že pravouhlé objekty sú jednoduché z hľadiska prenosu údajov, pretože uhly sú všade rovnaké. No ak sa presunieme do svete zložitejších tvarov, musíme používať rôzne rezy a generovať množstvo údajov často rádovo v gigabajtoch, čo v minulosti nebolo možné efektívne spracovať. Aj to bol jeden z dôvodov, prečo je väčšina stavieb pravouhlá.
Spracovanie rozsiahlych údajov už dnes nepredstavuje žiadny vážnejší technický problém, preto sa ponúka možnosť pozrieť sa na stavebníctvo z iného uhla pohľadu. Organické štruktúry sú v tomto smere inšpiráciou, napr. kosti alebo časti lebky, ktoré napriek tomu, že majú duté časti a špecifickú vnútornú štruktúru, sú z mechanického hľadiska pevnejšie ako jednoliate objekty. A práve pri 3D tlači z betónu dokážeme vytvárať podobné stavby a štruktúry, ktoré sa môžu vyznačovať tvarovou voľnosťou a vyššou mechanickou odolnosťou v porovnaní s klasickými pravouhlými stavbami napr. z tehál. Dokážeme zároveň realizovať stavby, ku ktorým sa príroda dopracovávala milióny rokov, kým našla ten najlepší tvar, a tak sa vlastne vraciame k symbióze s prírodou.
Robotika pomáha nielen pri manipulácii s ťažkými bremenami, ale začína sa presadzovať aj pri 3D tlači stavebných dielov, fasád a pod. Skúsme opísať tento proces – čo všetko treba zabezpečiť na vytvorenie robotického pracoviska 3D tlače stavebných komponentov?
Laická verejnosť sa v tejto oblasti dosť výrazne zaujíma len o samotný robot. Pre nás je šesťosový robot, čo je z mediálneho hľadiska atraktívna záležitosť, „len“ manipulátor. Zjednodušene povedané, 3D tlač je také mierne zložitejšie zdobenie perníkov, keď sa v 3D priestore pohybuje nejaký koncový bod, cez ktorý nanášame nejaký materiál, pričom je jedno, či ide o cukrovú hmotu, plast, kov alebo betón. K takémuto hardvéru je však potrebný aj vhodný softvér, ktorý dokáže spracovať údaje z virtuálneho 3D modelu. Po rádovo minútach spracovania možno začať s fyzickou tlačou reálneho objektu. V prípade toho istého objektu vytvoreného technológiou liatia betónu by bolo potrebné vytvoriť debnenie, čo vyžaduje jeho narezanie, poskladanie, ukotvenie, pričom po jeho vyliatí treba toto všetko odstrániť.
Z toho vidno, že väčšina iných technológií stavieb je v porovnaní s 3D tlačou komplikovanejšia. Na druhej strane sa pri 3D tlači kladie veľký dôraz na presnosť a vlastnosti betónu z hľadiska jeho rýchleho tuhnutia. 3D tlač sa skladá z troch vzájomne spojených nádob. Jednou je materiál, kde sa musíme prispôsobiť jeho vlastnostiam a možnostiam. Pri 3D tlači preto pracujeme na vývoji materiálov, ktoré pomocou akcelerátorov a plastifikátorov musia dokázať udržať svoj tvar a stuhnúť aj bez použitia debnenia. Ďalšími hardvérovými súčasťami sú zásobník a miešadlo materiálu, čerpadlo a samotný manipulátor zabezpečujúci pohyb koncového bodu – dýzy.
V čom sa proces 3D robotickej tlače odlišuje od tých klasických, doteraz dominantných aplikácií robotov z hľadiska náročnosti naprojektovania pracoviska, jeho programového vybavenia, periférií či obsluhy?
Veľmi zjednodušene povedené, z nášho pohľadu tu zásadné rozdiely nie sú. Je to zase len jeden z typov aplikácie, kde na konci manipulátora – robota, je istý druh akčného člena, čo je v tomto prípade dýza na vrstvenie betónu. Ak nanášam lak na karosériu či zváram dvere auta, stále ide o nanášanie nejakého materiálu niekam. To treba nejako špecifikovať, naprojektovať a potom celý proces zrealizovať hardvérovo a softvérovo. Použitie automatizačných a snímacích prvkov je veľmi podobné. Mohlo by sa zdať, že betón je náročnejšia hmota na zvládnutie ako napr. lak či farba, ale to je len zdanie, a to z dôvodu, ktorý som už spomínal skôr – nikto tejto oblasti nevenoval v minulom období dostatočnú pozornosť.
Je pravda, že 3D tlač z betónu vyžaduje viac rôznych technologických súčastí – miešadlá, čerpadlá a pod. a riadenie takéhoto pracoviska možno prirovnať k riadeniu spojitých či dávkových procesov známych z petrochemického, chemického či potravinárskeho priemyslu. Pre nás ako procesných inžinierov je betón hmota, ktorú treba správne merať a namerané údaje správne vyhodnocovať. Ďalšou výzvou je, ak má 3D tlač z betónu prebiehať v exteriéri, kde sa môžu veľmi rýchlo meniť okolité podmienky – vlhkosť, teplota, vietor, čo výrazne ovplyvňuje proces tvrdnutia betónu. Tu vidím do budúcnosti veľký potenciál na nasadenie umelej inteligencie, ktorá bude nápomocná v zabezpečení požadovanej kvality finálnej konštrukcie či stavby.
S akými materiálmi sa pri 3D tlači stavebných komponentov pracuje a aké sú fyzikálno-mechanické vlastnosti finálnych produktov v porovnaní s produktmi vytvorenými klasickými metódami?
Materiál je zaujímavá téma, pretože to je alfa a omega celej 3D tlače v stavebníctve. Výrobcovia stavebných materiál zareagovali na dopyt po materiáloch pre 3D tlače tak, že na trhu sú v súčasnosti k dispozícii vrecované sušené zmesi, ktoré boli pôvodne vyvinuté na rýchlo schnúce úpravy betónových stavieb a konštrukcií a prepracované pre potreby 3D tlače. Teraz obsahujú viaceré nové prísady a je v nich aj dosť veľa chémie, čo ich cenu ženie pomerne vysoko. Z tohto hľadiska sú v porovnaní s klasickým betónom dlhodobo neudržateľné. Aktuálne v našej spoločnosti v spolupráci s tímom prof. Rudolfa Helu z VUT Brno vyvíjame riešenie na urýchlenie tvrdnutia betónu v samotnej tlačovej hlave.
Výsledkom by malo byť to, že by sme boli schopní využívať pre 3D tlač lokálne dostupné stavebné zmesi. Efektívne totiž bude, ak pre projekty v Kanade alebo Dubaji nebudeme musieť prepravovať piesok alebo cement z Česka, ale využijeme lokálne dostupné zdroje. Naším cieľom je vyvinúť technológiu tak, aby sme boli schopní napr. využívať aj púštny piesok, ktorý je kvôli svojej guľatosti nevhodný pre klasické stavebné postupy. Najväčšou výzvou, zatiaľ z kategórie blízka budúcnosť, je možnosť tlačiť 3D stavby napr. na Mesiaci či Marse, takisto z miestne dostupných materiálov s čo najmenším podielom použitých prísad. Našou víziou je mať materiál podobný alebo ešte lepší ako betón, s menším množstvom pridaného cementu, ekologickejší a trvalo udržateľný. V roku 2021 by sme už mohli mať lepší stavebný materiál ako betón, ktorý poznáme už stovky rokov.
Spolu s viacerými zástupcami z akademickej obce založila naša spoločnosť European Institute for Materials, Automation and Construction (EIMAC), ktorý je prienikom odvetví potrebných na úspešnú realizáciu 3D tlače v stavebnom priemysle. Nie je totiž možné mať len strojový park bez vhodného materiálu, ten treba zase vhodne pripraviť a počas nanášania kontrolovať a udržiavať v nejakom stave a pod. Inštitút už teraz spolupracuje s Českou komorou autorizovaných inžinierov a technikov v staviteľstve, s ktorými by sme chceli participovať na vytvorení príslušnej legislatívy a normatívov pre 3D tlač v stavebníctve.
Ďalšia vec je, že ľudia si často predstavujú stavby, ktoré vydržia stovky rokov. Aj tu však vzniká priestor na zmenu, nakoľko často je dopyt po stavbách na niekoľko málo rokov využiteľných na rôzne neštandardne situácie – živelné pohromy a pod.
Z hľadiska porovnania vlastností stavieb realizovaných klasickými metódami a 3D tlačou sa ešte len realizujú základné výskumy a testy. No už teraz vidno, že 3D tlač niektorých štruktúr je z hľadiska pevnosti na tom lepšie ako klasicky odlievané štruktúry. Dôležité napríklad je, aby sa zvolila správna technológia nanášania betónu, ktorá zaistí vzájomné prepojenie jednotlivých vrstiev. Vzorky, ktoré tlačíme z betónu v našej firme, prechádzajú následne testovaním na rôznych lámacích lisoch vo VUT Brno.
Čo je zásadnou výhodou a pridanou hodnotou robotickej 3D tlače stavebných komponentov a naopak aké sú obmedzenia a slabšie stránky?
Hlavnou výhodou pri 3D tlači je použitie presného množstva potrebného materiálu. Rôzne štúdie uvádzajú, že približne sedemdesiat percent betónu sa pri stavbách používa zbytočne. Kvôli možnosti presného nanášania materiálu sa dajú realizovať rôzne priehradové konštrukcie a organické tvary. Výhodou je aj náhrada chýbajúceho personálu v stavebníctve, ktorého je čoraz menej. Trend by mal byť taký, že ľudia by sa mali zmeniť z tých, ktorí stavebné materiály nosia, na tých, ktorí budú obsluhovať sofistikované technológie.
Ďalšie výhody sú podobné ako v iných oblastiach priemyslu – vyššia kvalita, keď robot dokáže s konštantnou presnosťou vrstviť materiál. To bol problém napr. pri stavbe výťahových šachiet, keď aj menšie nepresnosti pri betónovej konštrukcii spôsobovali problémy pri inštalácii samotného výťahu a jeho vodiacich koľajníc. A nevýhody? To sú tie pôrodné bolesti každej novej technológie, keď treba veľa veci vyvinúť od začiatku a investovať do toho nejaký kapitál. Keď sa nám podarí cez túto fázu dostať, zatiaľ ďalšie nevýhody nevidím.
Kto je potenciálnym zákazníkom, ktorý by mohol o vytvorení/zakúpení robotickej 3D tlače stavebných materiálov uvažovať?
Ako som spomenul, keď sa nám podarí dotiahnuť a odladiť túto technológiu tak, aby bola komerčne použiteľná, radi by sme to boli my sami, kto bude v prvých rokoch ponúkať služby 3D tlače z betónu. A to aj preto, aby sme odskúšali čo najviac aplikácií, kde otestujeme správanie materiálu, najlepšie postupy jeho prípravy a ukladania a pod. Na začiatku sa chceme orientovať na výrobu betónových produktov na mieru, ako je záhradná architektúra, mestský mobiliár, resp. čokoľvek, čo si zákazník bude priať a bude to možné touto technológiou zrealizovať. Môžu to byť aj špeciálne diely pre strojárstvo, ako napr. betónové základne pod lisy či CNC stroje. Veľmi zaujímavou aplikáciou môžu byť aj zelené fasády a strechy, keď v rámci 3D tlače steny môžeme súčasne vytvoriť integrované kvetináče.
Ďalšou perspektívnou oblasťou sú rôzne líniové stavby, napr. protihlukové bariéry, keď tlačová hlava umiestnená na pojazde dokáže vytvoriť stenu a opäť tam môžu byť integrované aj prvky na osadenie zelene. Jedným z prvých reálnych krokov je tlač kaviarne v Žďári nad Sázavou s podlahovou plochou približne 75 m2, kde si chceme odskúšať naše technológie a zároveň získať úplnú certifikáciu a kolaudáciu budovy podľa platnej legislatívy.
Ako to vyzerá s návratnosťou investícií pre pracovisko robotickej 3D tlače?
Podľa našich odhadov by sme sa mali po vychytaní všetkých múch tejto technológie dostať na úroveň 30 – 50 % úspor v porovnaní s technológiami klasického staviteľstva. Každá nová technológia by mala prispieť k zlepšeniu predchádzajúceho stavu, ak má byť aj komerčne úspešná. To je samozrejme aj naším cieľom – dosiahnuť technologickú výnimočnosť a zamerať sa na trvalo udržateľné, dlhodobé riešenia.
Má význam ponúkať 3D robotickú tlač stavebných komponentov ako službu, resp. ju outsourcovať?
Náš biznis plán s touto technológiou je stále v procese kreovania a zvažujeme aj túto možnosť. No určite ubehne ešte nejaký čas, kým doladíme všetky procesy 3D tlače betónu, aby sme to mohli ponúkať komerčne ďalším subjektom.
Cieľom vašej spoločnosti je postaviť prvý certifikovaný dom pomocou 3D tlače v Čechách už v priebehu budúceho roku, do roku 2023 postaviť prvú školu na severnej pologuli z komponentov vyrobených 3D tlačou a stať sa najväčšou sériovo produkujúcou firmou na svete v oblasti 3D tlače. Je to tá známa diera na trhu, ktorú chcete vyplniť? Sú známe úspešné projekty v tejto oblasti v zahraničí?
Určite to vnímame ako veľkú príležitosť. Podobné projekty sú realitou už vo viacerých krajinách, ale aj tie sú výsledkom skôr výskumných a vývojových aktivít. Stále je veľký priestor na realizáciu. Pozitívne je aj to, že vnímame enormný záujem o našu technológiu aj zo strany technologických partnerov, aj samotných výrobcov stavebných materiálov. Do centrály našej firmy už zavítali zástupcovia výskumných a vývojových centier viacerých významných spoločností zaoberajúcich sa výrobou stavebných hmôt a zmesí. Väčšinu nákladov na vývoj novej technológie znášame sami, a preto sme otvorení každému partnerstvu a pomoci, či už z hľadiska materiálov, subdodávok, alebo know-how, napr. v oblasti riadenia manipulátorov či robotov. Na druhej strane takýmto partnerom ponúkame jednak možnosť participovať na vývoji unikátnej technológie, jednak otvoriť priestor na spoluprácu na komerčných projektoch, ktoré očakávame, že prídu.
Ako vidíte ďalší rozvoj v oblasti využívania moderných technológií v stavebníctve v strednodobom horizonte? Bude možné hovoriť o Stavebníctve 4.0?
Budúcnosť môže vyzerať aj tak, že na stavenisko sa dovezie niekoľko robotov s minimálnym počtom obslužných pracovníkov, ktorí ani nebudú musieť byť vyučenými stavbármi, ale budú schopní práve obsluhovať roboty. Ak sme doteraz stavali bytové jednotky a paneláky relatívne rovnakého vzhľadu, tak 3D tlač otvorí ohromný potenciál pre originalitu a kreativitu. Do návrhu objektu môže vstupovať aj umelá inteligencia, ktorá na základe orientačného zadania zákazníka navrhne objekt. Vďaka virtuálnej realite si ho bude môcť prejsť a ak sa s tým návrhom stotožní, objekt bude v nástrojoch BIM digitalizovaný, verifikovaný a transformovaný do takej podoby, aby ho robot bez akejkoľvek papierovej dokumentácie mohol začať tlačiť. Samozrejme z ekologických, kvalitných materiálov a s ešte lepšími mechanickými a štrukturálnymi vlastnosťami, ako majú dnešné stavebné materiály. Našu príležitosť nevnímame v tom, že by sme ponúkali hotové stavby vytlačené 3D tlačou a tvrdili, že je to riešenie pre všetkých a na všetko. Skôr hľadáme kombináciu moderných a inteligentných technológií a 3D tlač z betónu využijeme tam, kde to bude mať čo najväčší efekt.
Ďakujeme za rozhovor.