6. 9. 2021 Vašek Beneš

Stavební techniky, vzestup 3D tištěných domů

Vaším příštím domovem může být výtisk

V Kalifornii se nezvykle rychle prodávají nové domy. Za poslední dva měsíce se jich prodalo 82 a čekací listina čítá 1000 zájemců. Tato poptávka by však měla být brzy uspokojena – zatímco výstavba běžného cihlového obydlí může trvat týdny, společnosti Palari Homes a Mighty Buildings, které stojí za těmito domy, jsou schopny postavit jeden dům za méně než 24 hodin. Mohou to udělat tak rychle, protože jejich výrobky jsou sestaveny z v továrně vyrobených prefabrikovaných komponentů. To samo o sobě není nová myšlenka. Součásti jsou však vyrobeny neobvyklým způsobem: jsou vytištěny.

Trojrozměrný (3D) tisk existuje již od počátku 80. let 20. století, ale v současné době nabírá na popularitě. Používá se už k výrobě různých věcí, od ortopedických implantátů až po součásti letadel. Detaily se liší podle jednotlivých výrobků a procesů, ale základní princip je stejný. Položí se vrstva materiálu a upevní se na místě. Pak se na ni položí další vrstva. Pak další. A pak ještě jedna. Různými tvary a někdy i složením jednotlivých vrstev lze vytvořit předměty, které by bylo obtížné, nebo dokonce nemožné vyrobit běžnými technikami. Na rozdíl od běžných výrobních postupů navíc nedochází k plýtvání materiálu.

Stačí stisknout tlačítko „tisk“

V případě společností Palari Homes a Mighty Buildings jsou tiskárny poněkud větší, než u výroby umělých kolen nebo konců křídel. A materiály jsou poněkud hrubší. Princip je však stejný. Trysky vytlačují pastu (v tomto případě kompozit), která je následně vytvrzena a zpevněna ultrafialovým světlem. Díky tomu může společnost Mighty Buildings tisknout díly, jako jsou okapy nebo stropy, bez nutnosti podpůrných lišt a také jednodušší věci, jako jsou stěny. Ty pak stavební dělníci společnosti Palari Homes na místě sestaví a připevní k trvalým základům.

3D tisk umožňuje nejen všestranné využití a rychlejší konstrukci, ale slibuje také nižší náklady a šetrnější přístup k životnímu prostředí, než je možný v současnosti. To z něj může udělat odpověď na dvě výzvy, kterým nyní svět čelí: nedostatek bytů a klimatické změny. Přibližně 1,6 miliardy lidí (více než 20 % obyvatel Země) nemá odpovídající bydlení. Stavební průmysl je zodpovědný za 11 % světových emisí oxidu uhličitého způsobených člověkem. Uhlíková stopa tohoto odvětví však nevykazuje žádné známky snižování.

Automatizace přináší obrovské úspory nákladů. Podle společnosti Mighty Buildings je díky ní na 80 % tiskového procesu potřeba pouze 5 % pracovní síly, která by jinak byla zapotřebí. Zdvojnásobila se také rychlost výroby. To je vítaná zpráva, protože stavebnictví se již roky snaží zvýšit svou produktivitu. Podle poradenské společnosti McKinsey rostla v posledních dvou desetiletích pouze třetinovým tempem ve srovnání s produktivitou světové ekonomiky jako celku. Digitalizace probíhá pomaleji než v téměř jakémkoli jiném odvětví. Stavebnictví také na mnoha místech trpí nedostatkem kvalifikované pracovní síly. A očekává se zhoršení situace. Například v Americe se předpokládá, že do deseti let odejde do důchodu přibližně 40 % zaměstnanců ve stavebnictví.

Výhody pro životní prostředí se projevují hned v několika ohledech. Důležitý je fakt, že není nutné stěhovat spoustu těžkých věcí. Například společnost Palari Homes odhaduje, že prefabrikace jejích výrobků snižuje počet jízd nákladních automobilů při stavbě domu natolik, že to snižuje množství oxidu uhličitého vypouštěného na jeden dům o dvě tuny.

Společnosti Palari Homes a Mighty Buildings navíc nejsou ve svém úsilí jediné. Podobné projekty se rodí všude. V naprosté většině případů se tisknou stavby za použití betonu. V Malawi působí 14Trees, společný podnik společnosti Holcim (největšího světového výrobce cementu) a CDC Group (britské vládní rozvojově-finanční organizace). Dle 14Trees je tam schopna vytisknout dům za pouhých 12 hodin s cenou nižší než 10 000 dolarů. Kromě toho, že je proces tisku levný a rychlý, je podle společnosti také ekologický. Společnost Holcim tvrdí, že díky používání přesného množství potřebného cementu dochází ke snížení množství odpadu a navíc při 3D tisku vzniká o 30 % méně oxidu uhličitého, než při použití pálených cihel, což je v Malawi běžná technika.

V Mexiku mezitím charitativní organizace pro bezdomovce s názvem New Story uzavřela partnerství s firmou ICON, která se zabývá 3D tiskem. Společnosti postavily deset domů o výměře 46 metrů čtverečních. Každý z nich byl vytištěn přibližně za 24 hodin (tyto hodiny byly rozloženy do několika dnů), přičemž konečné prvky sestavila další místní charitativní organizace Échale. Klíče od prvního domu v Evropě, který byl vytištěn pomocí 3D tisku, byly 30. července předány nájemníkům v nizozemském Eindhovenu (na obrázku výše).

Vrstvené dorty

Tento dům, první z pěti samostatně stojících domů se dvěma ložnicemi v rámci projektu koordinovaného městskou správou Eindhovenu a Městskou technickou univerzitou, je výsledkem spolupráce několika firem. Potřebnou betonovou maltu vyvinula nizozemská pobočka francouzské společnosti Saint-Gobain, která vyrábí stavební materiály. Stavební firma Van Wijnen stavbu realizovala a poradenská společnost Witteveen+Bos byla zodpovědná za inženýrskou činnost. Pronajímá jej její majitel, nizozemská společnost Vesteda, která investuje do rezidenčních nemovitostí.

Výroba cementu v takovýchto projektech však není ekologická. Uhličitan vápenatý ve formě vápence se při ní mění na oxid vápenatý a oxid uhličitý. Podle odhadů je zodpovědný za přibližně 8 % antropogenních emisí tohoto plynu. Skupina z Texaské univerzity A&M pod vedením Sarbajita Banerjeeho proto vyvinula způsob, jak se bez něj obejít.

Nový stavební materiál doktora Banerjeeho byl inspirován projektem, který před několika lety vedl, a jehož cílem bylo vybudovat zásobovací silnice do odlehlých částí kanadské provincie Alberta z materiálů, které měl ihned po ruce. Silniční kov, který vymyslel, kombinoval místní zeminu s mulčem z dřevěných vláken a byl spojen tekutými nebo ve vodě rozpustnými křemičitany, které pak ztvrdly a fungovaly jako cement. Na stavbu domů používá hlínu a horniny z ornic v blízkosti staveniště, rozdrtí je na prášek a smíchá se silikáty. Výsledek se pak dá protlačit tryskou, načež rychle ztvrdne a získá dostatečnou pevnost, aby udržel tvar a unesl váhu další vrstvy. Proces je tedy dvojnásobně ekologický. Odpadá jak množství cementu, tak nutnost dopravovat na stavbu písek a kamenivo používané v běžném betonu, a to často na velké vzdálenosti.

Výhody betonu

Domy vytištěné na 3D tiskárně mají svá omezení. Pro začátek je třeba upravit stavební předpisy tak, aby se jim přizpůsobily. Proto UL, jedna z největších amerických certifikačních agentur, spolupracovala se společností Mighty Buildings na vývoji první normy pro 3D tisk. Směrnice budou zahrnuty do nového Mezinárodního kodexu pro obytné budovy, který se používá nebo byl přijat ve všech amerických státech kromě Wisconsinu. Přestože je to vítaná podpora pro začínající odvětví, většina vlád ještě musí přijít s normami pro jednotlivé země. Existují také otázky ohledně kvality a povrchové úpravy domů postavených pomocí 3D tiskáren.

I tak se ale směr vývoje jeví slibně. V loňském roce byly v Německu schváleny plány na výstavbu bytového domu vyrobeného pomocí 3D tisku. Tato třípodlažní budova, sestavená německou stavební společností Peri z dílů vyrobených pomocí tiskáren vyvinutých dánskou firmou Cobod, bude mít pět bytů. Využití technologie se rozšiřuje také na blízkém východě a v Asii. Dubajská vláda chce, aby čtvrtina nových budov v zemi byla do roku 2030 vyrobena právě prostřednictvím 3D tisku. Na okraji hlavního města vyčlenila čtvrť, kde budou sídlit společnosti zabývající se 3D tiskem a budou tam mít také sklady. Saúdská Arábie chce v příštím desetiletí pomocí 3D tisku postavit 1,5 milionu domů. Také indické Ministerstvo bydlení a městských záležitostí chce pomocí 3D tisku řešit nedostatek bytů v zemi.

Pokud se to podaří, je pravděpodobné, že se stavění pomocí 3D tisku rozšíří i mimo oblast bydlení. Příležitosti existují v oblasti skladů, kanceláří a dalších komerčních budov. A mimo pozemské stavby zkoumá americká vesmírná agentura NASA využití 3D tisku při stavbě přistávacích ploch, ubytovacích zařízení a silnic na Marsu a na Měsíci. Na těchto dvou vesmírných tělesech však není žádná půda, pouze rozdrcená hornina zvaná regolit. Skupina doktora Banerjeeho, která spolupracuje s NASA, tvrdí, že její systém 3D tisku funguje stejně dobře i s tímto materiálem. „Chtěli bychom mít majetek na Marsu a na Měsíci, ale nebudeme schopni tam s sebou vzít beton,“ říká doktor Banerjee. „Budeme muset pracovat s regolitem.“

První verze tohoto článku byla zveřejněna online 18. srpna 2021.

Tento článek vyšel v tištěném vydání v sekci Věda a technika pod titulkem „Factory fresh“.