Projekty a granty

Inovativní přístup výroby keramiky s využitím 3D tisku a pokročilých analytických metod

SP2025/084

Inovativní přístup výroby keramiky s využitím 3D tisku a pokročilých analytických metod V současném světě stavitelství se stále více prosazují moderní technologie, které přinášejí inovace do výroby a analýzy konstrukcí/materiálů. Tento projekt se zaměřuje na spojení dvou pokročilých technologií – 3D tisku keramiky a metod jako 3D skenování a digitální korelace obrazů (DIC) – pro vytvoření a testování keramických dílců v oblasti stavebních prvků. Cílem je vytvoření vhodného výrobního procesů keramiky 3D tiskem s následnou kontrolou využívající 3D skenování, kdy se následně pro statické zatěžovací zkoušky pro ověření mechanismu porušení využije 3D DIC metod [1-4]. 3D tisk keramiky představuje moderní aditivní výrobní techniku, která umožňuje vytváření složitých keramických objektů vrstvením materiálu na základě digitálních modelů. Tato technologie otvírá široké možnosti pro inovaci v designu, výrobu a personalizaci keramických výrobků. V 3D tisku keramiky je klíčovou výhodou schopnost produkovat geometricky složité tvary, které by byly jinak obtížně realizovatelné tradičními výrobními metodami [5]. Umožňuje to výrobu přizpůsobených, na míru zhotovených produktů, což je zvláště cenné ve specifických oblastech, jako je architektura, design interiérů a umělecké aplikace. Tato metoda také přispívá k minimalizaci odpadu, neboť materiál se používá efektivněji než při tradičních technikách. Takové možnosti přizpůsobení a personalizace jsou jedním z hlavních důvodů, proč se 3D tisk keramiky stává stále populárnějším. Po úspěšném procesu 3D tisku přichází na řadu nezbytná kontrola tvaru a geometrie vyrobených keramických objektů. 3D skenování hraje klíčovou roli v tomto procesu, protože poskytuje přesné geometrické a strukturální informace. Tato technologie umožňuje efektivní a přesné modelování stávajících objektů a identifikaci případných odchylek od požadovaných specifikací [6, 7]. Princip 3D skenování spočívá v zachytávání geometrických dat pomocí laserových nebo optických skenerů. Tato zařízení vysílají paprsky světla, které se odrážejí od povrchu objektu a vracejí se zpět, přičemž zařízení měří čas návratu, což umožňuje výpočet vzdálenosti. Tímto způsobem 3D skener vytváří přesné 3D modely objektů, což usnadňuje analýzu [2]. Díky přesnosti a rychlosti se 3D skenování stalo progresivní technologií při předvýrobní kontrole kvality a dokumentaci výrobních procesů. Dalším klíčovým prvkem předloženého projektu je využití metody digitální korelace obrazů (DIC) pro analýzu deformací keramických prvků v průběhu zatěžovacích zkoušek. Digitální korelace obrazů je optická metoda, která se využívá ve statice, dynamice a mechanice materiálů [8, 9]. Umožňuje sledování deformací a posunů v reálném čase. DIC může být realizována systémem 2D pro ploché deformace, zatímco 3D DIC poskytuje prostorové údaje, což je nezbytné pro složitější deformace a analýzu objektů. Mezi náročné části užití metody patří složitá příprava povrchu a vzorování, a omezení v oblastech s nízkým kontrastem nebo vysokým povrchovým zrcadlením. DIC rovněž vyžaduje odborné znalosti pro správné nastavení a analýzu dat. Souhrnně se projekt zaměří na identifikaci a řešení problematických aspektů v každé fázi – od přípravy 3D tištěných keramických prvků, přes přesné měření jejich geometrie, až po analýzu deformací pomocí DIC. Úspěšným spojením 3D tisku, 3D skenování a DIC chceme umožnit inovativní řešení. [1] Aabbas M., Mahdaoui, M., Ahachad, M., Mazian, B., Aalil, I., Ouardouz, M. Advancing sustainable construction: Terracotta component development through extrusion-based 3d printing with local clay, Construction and Building Materials, 442, 137549, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.137549 [2] Kim, M-K., Cheng, J. C. P., Sohn, H., Chang, Ch-Ch. A framework for dimensional and surface quality assessment of precast concrete elements using BIM and 3D laser scanning, Automation in Construction, 2015, 49, pp. 225-238 DOI: 10.1016/j.autcon.2014.07.010 [3] Jiang, Q., Feng, X., Gong, Y., Song, L., Ran, S., Cui, J. Reverse modelling of natural rock joints using 3D scanning and 3D printing, Computers and Geotechnics, 2016, 73, pp. 210-220 DOI: 10.1016/j.compgeo.2015.11.020 [4] Gehri, N., Mata-Falcón, J., Kaufmann, W. Automated crack detection and measurement based on digital image correlation, Construction and Building Materials, 2020, 256, 119383, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119383 [5] Zak C. Eckel et al. Additive manufacturing of polymer-derived ceramics, Science, 2016, 351, pp. 58-62 DOI: 10.1126/science.aad2688 [6] Karasik, A., Smilansky, U. 3D scanning technology as a standard archaeological tool for pottery analysis: practice and theory, Journal of Archaeological Science, 2008, 35, pp. 1148-1168, DOI: 10.1016/j.jas.2007.08.008 [7] Diz-Mellado, E., Perez-Fenoy, J., Mudarra-Mata, M., Rivera-Gómez, C., & Galan-Marin, C. Enhancing 3D-Printed Clay Models for Heritage Restoration Through 3D Scanning. Applied Sciences, 2024, 14, DOI: 10.3390/app142310898 [8] Helfrick, M.N., Niezrecki, Ch., Avitabile, P., Schmidt, T. 3D digital image correlation methods for full-field vibration measurement, Mechanical Systems and Signal Processing, 2011, 25, pp. 917-927, DOI: 10.1016/j.ymssp.2010.08.013 [9] Meyer, P., Waas, A.M. Measurement of In Situ-Full-Field Strain Maps on Ceramic Matrix Composites at Elevated Temperature Using Digital Image Correlation. Exp Mech, 2015, 55, pp. 795–802, DOI: 10.1007/s11340-014-9979-7 Zvolené metody řešení Výzkum a zvolené metody řešení je možno rozdělit do několika částí, které se budou realizovat v experimentálních sériích. 1) 3D tisk keramiky (Ćmiel) • Příprava digitálního modelu pomocí CAD softwaru a úprava modelu pro aditivní výrobu, (tloušťku stěn, podpory a geometrické detaily) • Příprava pro tisk - Export modelu a Slicing (tvorba tiskové trajektorie a nastavení parametrů tisku - rychlost, teplota, výška vrstvy • Tisk keramických prvků • Sušení a vypalování 2) 3D skenování (Pěkníková) • Příprava skenování • Povrchová úprava • Volba skenovací metody a skeneru • Analýza výsledků 3) Zkoušky s využitím Digitální korelace obrazů (Ćmiel, Pěkníková) • Příprava povrchu pro DIC • Provedení zatěžovacích zkoušek (tlaková, ohybová, tahová pevnostní zkouška, tvrdost dle Vickerse, Mohsa atd.) • Analýza deformací 4) Zkoušky mechanických vlastností keramiky a testování tiskové hmoty keramiky (Ćmiel, Pěkníková) V případě tisku je nutné poznamenat, že náročná je také příprava a čištění komponent, 3D tiskárny, ošetřování vzorku/výpal, provádění zkoušek a následnou likvidaci zkušebních těles. Zdůvodnění finančních prostředků: Stipendia: 1. Ing. Petr Ćmiel, – hlavní řešitel (2. ročník doktorského studia) – koordinace projektu, návrh modelů z keramiky, 3d tisk, 3D skenování, měření DIC, specializované zkoušky, technická příprava a realizace experimentů v laboratoři, vyhodnocení dat, publikační činnost (16 000 Kč). Zapojení v projektu v rozsahu cca 120 hod. téma DiP: Diagnostika stavebních konstrukcí Dosavadní výsledky: 1x Jimp, 1x D 1. SUCHARDA, O., GANDEL, R., CMIEL, P., JERABEK, J., BILEK, V. Utilization of High-Performance Concrete Mixtures for Advanced Manufacturing Technologies, Buildings, 2024, 14(8), 2269, DOI: 10.3390/buildings14082269 (Jimp) 2. GANDEL R., JEŘÁBEK J., MARCALÍKOVÁ Z., CMIEL P. The effect of NaOH and KOH on the strength-mechanical properties of alkali-activated composites based on granulated blast-furnace slag (2024) Journal of Physics: Conference Series, 2792 (1), art. no. 012001, Cited 0 times. DOI: 10.1088/1742-6596/2792/1/012001 (D – sborník) 2. Bc. Andrea Pěkníková – spoluřešitel (1. ročník doktorského studia, zápis do studia únor 2025) – technická příprava a realizace experimentů v laboratoři, měření, vyhodnocení dat, asistence při publikování, (12 000 Kč). Zapojení v projektu v rozsahu cca 90 hod. téma DiP: Vysokohodnotný beton s recyklátem a jeho stavební aplikace Za bakalářskou práci uděleno ocenění (celostátní kolo): Vynikající bakalářská práce v oboru betonu – kategorie Technologie Betonu U obou doktorandů se očekává, že budou metody DIC taktéž využity v experimentální části ich dizertační práce. Náklady na stipendia celkem: 28 000 Kč Materiálové náklady: 1. Materiál pro výrobu zkušebních těles z keramiky, cca 30 výtisku (tisková hmota keramiky, chemické přípravky) - 20 000 Kč 2. Komponenty 3D tiskáren – spotřební části – Kit of Nozzles, POM Screw, LDM Extruder, 5L Clay Tank - 15 000 Kč 3. Spotřební materiál pro účely laboratoře (nářadí, sáčky, úložné boxy, OOPP apod.) - 2 000 Kč 4. Spotřební materiál pro 3D skenování a měření DIC (značky, sprej pro značkování, atd.) - 4000 Kč. Náklady na materiál celkem: 41 000 Kč Drobný hmotný majetek – samostatný vzduchový kompresor pro dopravní cestu k tiskárně (v současné době je sdílen s dalším části laboratoře – eliminuje se časové omezení, lepší výkon, atd.) - 10 000 Kč Služby: 1. Časopis CEE (Jimp) - 20 000 Kč 2. Náklady laboratoře stavebních hmot – dle zásad pravidel SGS (kalibrace, resp. opravy a údržba – služba – poměrná část nákladů, domluveno s VK223) – 4 000 Kč 3. Aktivní účast na semináři Kobylí (Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí) – 4 395 Kč Náklady na Služby celkem: 28 395 Kč Cestovné: 1x Seminář – Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí (cestovné a ubytování) – 2 000 Kč Náklady na cestovné celkem: 2 000 Kč Režie: 12 155 Kč Harmonogram prací: Leden - únor Podrobná rešerše literatury týkající se problematiky 3D tisku keramiky, 3D skenování a využití metody DIC. Únor - březen Příprava 3D digitálního modelu a jeho optimalizace, slicing modelu, příprava tiskárny – zkušební tisky. Duben – květen Tisk keramických prvků (1), sušení a následné vypalování. Květen – červen 3D skenování - Příprava předmětů, ladění parametrů skenování a skenování. Červen – červenec Provádění 3D skenování a zpracování a analýza získaných dat., tisk aktualizovaných modelů - Tisk keramických prvků (2) Srpen – září Provádění 3D skenování a zpracování a analýza získaných dat, zkouška s digitální korelací obrazů (DIC) Říjen – listopad Souhrnné zpracování a analýza dat. Příprava publikace (Jimp). Účast na semináři v Kobylí Rozsah prací je možné rozdělit do třech testovacích série, každá o minimálně cca 10 testovací tělesech/vzorcích.

2025

2025

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Ćmiel Petr Ing.

Inovativní přístup výroby keramiky s využitím 3D tisku a pokročilých analytických metod

SP2025/084

Inovativní přístup výroby keramiky s využitím 3D tisku a pokročilých analytických metod V současném světě stavitelství se stále více prosazují moderní technologie, které přinášejí inovace do výroby a analýzy konstrukcí/materiálů. Tento projekt se zaměřuje na spojení dvou pokročilých technologií – 3D tisku keramiky a metod jako 3D skenování a digitální korelace obrazů (DIC) – pro vytvoření a testování keramických dílců v oblasti stavebních prvků. Cílem je vytvoření vhodného výrobního procesů keramiky 3D tiskem s následnou kontrolou využívající 3D skenování, kdy se následně pro statické zatěžovací zkoušky pro ověření mechanismu porušení využije 3D DIC metod [1-4]. 3D tisk keramiky představuje moderní aditivní výrobní techniku, která umožňuje vytváření složitých keramických objektů vrstvením materiálu na základě digitálních modelů. Tato technologie otvírá široké možnosti pro inovaci v designu, výrobu a personalizaci keramických výrobků. V 3D tisku keramiky je klíčovou výhodou schopnost produkovat geometricky složité tvary, které by byly jinak obtížně realizovatelné tradičními výrobními metodami [5]. Umožňuje to výrobu přizpůsobených, na míru zhotovených produktů, což je zvláště cenné ve specifických oblastech, jako je architektura, design interiérů a umělecké aplikace. Tato metoda také přispívá k minimalizaci odpadu, neboť materiál se používá efektivněji než při tradičních technikách. Takové možnosti přizpůsobení a personalizace jsou jedním z hlavních důvodů, proč se 3D tisk keramiky stává stále populárnějším. Po úspěšném procesu 3D tisku přichází na řadu nezbytná kontrola tvaru a geometrie vyrobených keramických objektů. 3D skenování hraje klíčovou roli v tomto procesu, protože poskytuje přesné geometrické a strukturální informace. Tato technologie umožňuje efektivní a přesné modelování stávajících objektů a identifikaci případných odchylek od požadovaných specifikací [6, 7]. Princip 3D skenování spočívá v zachytávání geometrických dat pomocí laserových nebo optických skenerů. Tato zařízení vysílají paprsky světla, které se odrážejí od povrchu objektu a vracejí se zpět, přičemž zařízení měří čas návratu, což umožňuje výpočet vzdálenosti. Tímto způsobem 3D skener vytváří přesné 3D modely objektů, což usnadňuje analýzu [2]. Díky přesnosti a rychlosti se 3D skenování stalo progresivní technologií při předvýrobní kontrole kvality a dokumentaci výrobních procesů. Dalším klíčovým prvkem předloženého projektu je využití metody digitální korelace obrazů (DIC) pro analýzu deformací keramických prvků v průběhu zatěžovacích zkoušek. Digitální korelace obrazů je optická metoda, která se využívá ve statice, dynamice a mechanice materiálů [8, 9]. Umožňuje sledování deformací a posunů v reálném čase. DIC může být realizována systémem 2D pro ploché deformace, zatímco 3D DIC poskytuje prostorové údaje, což je nezbytné pro složitější deformace a analýzu objektů. Mezi náročné části užití metody patří složitá příprava povrchu a vzorování, a omezení v oblastech s nízkým kontrastem nebo vysokým povrchovým zrcadlením. DIC rovněž vyžaduje odborné znalosti pro správné nastavení a analýzu dat. Souhrnně se projekt zaměří na identifikaci a řešení problematických aspektů v každé fázi – od přípravy 3D tištěných keramických prvků, přes přesné měření jejich geometrie, až po analýzu deformací pomocí DIC. Úspěšným spojením 3D tisku, 3D skenování a DIC chceme umožnit inovativní řešení. [1] Aabbas M., Mahdaoui, M., Ahachad, M., Mazian, B., Aalil, I., Ouardouz, M. Advancing sustainable construction: Terracotta component development through extrusion-based 3d printing with local clay, Construction and Building Materials, 442, 137549, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.137549 [2] Kim, M-K., Cheng, J. C. P., Sohn, H., Chang, Ch-Ch. A framework for dimensional and surface quality assessment of precast concrete elements using BIM and 3D laser scanning, Automation in Construction, 2015, 49, pp. 225-238 DOI: 10.1016/j.autcon.2014.07.010 [3] Jiang, Q., Feng, X., Gong, Y., Song, L., Ran, S., Cui, J. Reverse modelling of natural rock joints using 3D scanning and 3D printing, Computers and Geotechnics, 2016, 73, pp. 210-220 DOI: 10.1016/j.compgeo.2015.11.020 [4] Gehri, N., Mata-Falcón, J., Kaufmann, W. Automated crack detection and measurement based on digital image correlation, Construction and Building Materials, 2020, 256, 119383, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119383 [5] Zak C. Eckel et al. Additive manufacturing of polymer-derived ceramics, Science, 2016, 351, pp. 58-62 DOI: 10.1126/science.aad2688 [6] Karasik, A., Smilansky, U. 3D scanning technology as a standard archaeological tool for pottery analysis: practice and theory, Journal of Archaeological Science, 2008, 35, pp. 1148-1168, DOI: 10.1016/j.jas.2007.08.008 [7] Diz-Mellado, E., Perez-Fenoy, J., Mudarra-Mata, M., Rivera-Gómez, C., & Galan-Marin, C. Enhancing 3D-Printed Clay Models for Heritage Restoration Through 3D Scanning. Applied Sciences, 2024, 14, DOI: 10.3390/app142310898 [8] Helfrick, M.N., Niezrecki, Ch., Avitabile, P., Schmidt, T. 3D digital image correlation methods for full-field vibration measurement, Mechanical Systems and Signal Processing, 2011, 25, pp. 917-927, DOI: 10.1016/j.ymssp.2010.08.013 [9] Meyer, P., Waas, A.M. Measurement of In Situ-Full-Field Strain Maps on Ceramic Matrix Composites at Elevated Temperature Using Digital Image Correlation. Exp Mech, 2015, 55, pp. 795–802, DOI: 10.1007/s11340-014-9979-7 Zvolené metody řešení Výzkum a zvolené metody řešení je možno rozdělit do několika částí, které se budou realizovat v experimentálních sériích. 1) 3D tisk keramiky (Ćmiel) • Příprava digitálního modelu pomocí CAD softwaru a úprava modelu pro aditivní výrobu, (tloušťku stěn, podpory a geometrické detaily) • Příprava pro tisk - Export modelu a Slicing (tvorba tiskové trajektorie a nastavení parametrů tisku - rychlost, teplota, výška vrstvy • Tisk keramických prvků • Sušení a vypalování 2) 3D skenování (Pěkníková) • Příprava skenování • Povrchová úprava • Volba skenovací metody a skeneru • Analýza výsledků 3) Zkoušky s využitím Digitální korelace obrazů (Ćmiel, Pěkníková) • Příprava povrchu pro DIC • Provedení zatěžovacích zkoušek (tlaková, ohybová, tahová pevnostní zkouška, tvrdost dle Vickerse, Mohsa atd.) • Analýza deformací 4) Zkoušky mechanických vlastností keramiky a testování tiskové hmoty keramiky (Ćmiel, Pěkníková) V případě tisku je nutné poznamenat, že náročná je také příprava a čištění komponent, 3D tiskárny, ošetřování vzorku/výpal, provádění zkoušek a následnou likvidaci zkušebních těles. Zdůvodnění finančních prostředků: Stipendia: 1. Ing. Petr Ćmiel, – hlavní řešitel (2. ročník doktorského studia) – koordinace projektu, návrh modelů z keramiky, 3d tisk, 3D skenování, měření DIC, specializované zkoušky, technická příprava a realizace experimentů v laboratoři, vyhodnocení dat, publikační činnost (16 000 Kč). Zapojení v projektu v rozsahu cca 120 hod. téma DiP: Diagnostika stavebních konstrukcí Dosavadní výsledky: 1x Jimp, 1x D 1. SUCHARDA, O., GANDEL, R., CMIEL, P., JERABEK, J., BILEK, V. Utilization of High-Performance Concrete Mixtures for Advanced Manufacturing Technologies, Buildings, 2024, 14(8), 2269, DOI: 10.3390/buildings14082269 (Jimp) 2. GANDEL R., JEŘÁBEK J., MARCALÍKOVÁ Z., CMIEL P. The effect of NaOH and KOH on the strength-mechanical properties of alkali-activated composites based on granulated blast-furnace slag (2024) Journal of Physics: Conference Series, 2792 (1), art. no. 012001, Cited 0 times. DOI: 10.1088/1742-6596/2792/1/012001 (D – sborník) 2. Bc. Andrea Pěkníková – spoluřešitel (1. ročník doktorského studia, zápis do studia únor 2025) – technická příprava a realizace experimentů v laboratoři, měření, vyhodnocení dat, asistence při publikování, (12 000 Kč). Zapojení v projektu v rozsahu cca 90 hod. téma DiP: Vysokohodnotný beton s recyklátem a jeho stavební aplikace Za bakalářskou práci uděleno ocenění (celostátní kolo): Vynikající bakalářská práce v oboru betonu – kategorie Technologie Betonu U obou doktorandů se očekává, že budou metody DIC taktéž využity v experimentální části ich dizertační práce. Náklady na stipendia celkem: 28 000 Kč Materiálové náklady: 1. Materiál pro výrobu zkušebních těles z keramiky, cca 30 výtisku (tisková hmota keramiky, chemické přípravky) - 20 000 Kč 2. Komponenty 3D tiskáren – spotřební části – Kit of Nozzles, POM Screw, LDM Extruder, 5L Clay Tank - 15 000 Kč 3. Spotřební materiál pro účely laboratoře (nářadí, sáčky, úložné boxy, OOPP apod.) - 2 000 Kč 4. Spotřební materiál pro 3D skenování a měření DIC (značky, sprej pro značkování, atd.) - 4000 Kč. Náklady na materiál celkem: 41 000 Kč Drobný hmotný majetek – samostatný vzduchový kompresor pro dopravní cestu k tiskárně (v současné době je sdílen s dalším části laboratoře – eliminuje se časové omezení, lepší výkon, atd.) - 10 000 Kč Služby: 1. Časopis CEE (Jimp) - 20 000 Kč 2. Náklady laboratoře stavebních hmot – dle zásad pravidel SGS (kalibrace, resp. opravy a údržba – služba – poměrná část nákladů, domluveno s VK223) – 4 000 Kč 3. Aktivní účast na semináři Kobylí (Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí) – 4 395 Kč Náklady na Služby celkem: 28 395 Kč Cestovné: 1x Seminář – Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí (cestovné a ubytování) – 2 000 Kč Náklady na cestovné celkem: 2 000 Kč Režie: 12 155 Kč Harmonogram prací: Leden - únor Podrobná rešerše literatury týkající se problematiky 3D tisku keramiky, 3D skenování a využití metody DIC. Únor - březen Příprava 3D digitálního modelu a jeho optimalizace, slicing modelu, příprava tiskárny – zkušební tisky. Duben – květen Tisk keramických prvků (1), sušení a následné vypalování. Květen – červen 3D skenování - Příprava předmětů, ladění parametrů skenování a skenování. Červen – červenec Provádění 3D skenování a zpracování a analýza získaných dat., tisk aktualizovaných modelů - Tisk keramických prvků (2) Srpen – září Provádění 3D skenování a zpracování a analýza získaných dat, zkouška s digitální korelací obrazů (DIC) Říjen – listopad Souhrnné zpracování a analýza dat. Příprava publikace (Jimp). Účast na semináři v Kobylí Rozsah prací je možné rozdělit do třech testovacích série, každá o minimálně cca 10 testovací tělesech/vzorcích.

2025

2025

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Ćmiel Petr Ing.

Inovativní přístup výroby keramiky s využitím 3D tisku a pokročilých analytických metod

SP2025/084

Inovativní přístup výroby keramiky s využitím 3D tisku a pokročilých analytických metod V současném světě stavitelství se stále více prosazují moderní technologie, které přinášejí inovace do výroby a analýzy konstrukcí/materiálů. Tento projekt se zaměřuje na spojení dvou pokročilých technologií – 3D tisku keramiky a metod jako 3D skenování a digitální korelace obrazů (DIC) – pro vytvoření a testování keramických dílců v oblasti stavebních prvků. Cílem je vytvoření vhodného výrobního procesů keramiky 3D tiskem s následnou kontrolou využívající 3D skenování, kdy se následně pro statické zatěžovací zkoušky pro ověření mechanismu porušení využije 3D DIC metod [1-4]. 3D tisk keramiky představuje moderní aditivní výrobní techniku, která umožňuje vytváření složitých keramických objektů vrstvením materiálu na základě digitálních modelů. Tato technologie otvírá široké možnosti pro inovaci v designu, výrobu a personalizaci keramických výrobků. V 3D tisku keramiky je klíčovou výhodou schopnost produkovat geometricky složité tvary, které by byly jinak obtížně realizovatelné tradičními výrobními metodami [5]. Umožňuje to výrobu přizpůsobených, na míru zhotovených produktů, což je zvláště cenné ve specifických oblastech, jako je architektura, design interiérů a umělecké aplikace. Tato metoda také přispívá k minimalizaci odpadu, neboť materiál se používá efektivněji než při tradičních technikách. Takové možnosti přizpůsobení a personalizace jsou jedním z hlavních důvodů, proč se 3D tisk keramiky stává stále populárnějším. Po úspěšném procesu 3D tisku přichází na řadu nezbytná kontrola tvaru a geometrie vyrobených keramických objektů. 3D skenování hraje klíčovou roli v tomto procesu, protože poskytuje přesné geometrické a strukturální informace. Tato technologie umožňuje efektivní a přesné modelování stávajících objektů a identifikaci případných odchylek od požadovaných specifikací [6, 7]. Princip 3D skenování spočívá v zachytávání geometrických dat pomocí laserových nebo optických skenerů. Tato zařízení vysílají paprsky světla, které se odrážejí od povrchu objektu a vracejí se zpět, přičemž zařízení měří čas návratu, což umožňuje výpočet vzdálenosti. Tímto způsobem 3D skener vytváří přesné 3D modely objektů, což usnadňuje analýzu [2]. Díky přesnosti a rychlosti se 3D skenování stalo progresivní technologií při předvýrobní kontrole kvality a dokumentaci výrobních procesů. Dalším klíčovým prvkem předloženého projektu je využití metody digitální korelace obrazů (DIC) pro analýzu deformací keramických prvků v průběhu zatěžovacích zkoušek. Digitální korelace obrazů je optická metoda, která se využívá ve statice, dynamice a mechanice materiálů [8, 9]. Umožňuje sledování deformací a posunů v reálném čase. DIC může být realizována systémem 2D pro ploché deformace, zatímco 3D DIC poskytuje prostorové údaje, což je nezbytné pro složitější deformace a analýzu objektů. Mezi náročné části užití metody patří složitá příprava povrchu a vzorování, a omezení v oblastech s nízkým kontrastem nebo vysokým povrchovým zrcadlením. DIC rovněž vyžaduje odborné znalosti pro správné nastavení a analýzu dat. Souhrnně se projekt zaměří na identifikaci a řešení problematických aspektů v každé fázi – od přípravy 3D tištěných keramických prvků, přes přesné měření jejich geometrie, až po analýzu deformací pomocí DIC. Úspěšným spojením 3D tisku, 3D skenování a DIC chceme umožnit inovativní řešení. [1] Aabbas M., Mahdaoui, M., Ahachad, M., Mazian, B., Aalil, I., Ouardouz, M. Advancing sustainable construction: Terracotta component development through extrusion-based 3d printing with local clay, Construction and Building Materials, 442, 137549, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.137549 [2] Kim, M-K., Cheng, J. C. P., Sohn, H., Chang, Ch-Ch. A framework for dimensional and surface quality assessment of precast concrete elements using BIM and 3D laser scanning, Automation in Construction, 2015, 49, pp. 225-238 DOI: 10.1016/j.autcon.2014.07.010 [3] Jiang, Q., Feng, X., Gong, Y., Song, L., Ran, S., Cui, J. Reverse modelling of natural rock joints using 3D scanning and 3D printing, Computers and Geotechnics, 2016, 73, pp. 210-220 DOI: 10.1016/j.compgeo.2015.11.020 [4] Gehri, N., Mata-Falcón, J., Kaufmann, W. Automated crack detection and measurement based on digital image correlation, Construction and Building Materials, 2020, 256, 119383, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119383 [5] Zak C. Eckel et al. Additive manufacturing of polymer-derived ceramics, Science, 2016, 351, pp. 58-62 DOI: 10.1126/science.aad2688 [6] Karasik, A., Smilansky, U. 3D scanning technology as a standard archaeological tool for pottery analysis: practice and theory, Journal of Archaeological Science, 2008, 35, pp. 1148-1168, DOI: 10.1016/j.jas.2007.08.008 [7] Diz-Mellado, E., Perez-Fenoy, J., Mudarra-Mata, M., Rivera-Gómez, C., & Galan-Marin, C. Enhancing 3D-Printed Clay Models for Heritage Restoration Through 3D Scanning. Applied Sciences, 2024, 14, DOI: 10.3390/app142310898 [8] Helfrick, M.N., Niezrecki, Ch., Avitabile, P., Schmidt, T. 3D digital image correlation methods for full-field vibration measurement, Mechanical Systems and Signal Processing, 2011, 25, pp. 917-927, DOI: 10.1016/j.ymssp.2010.08.013 [9] Meyer, P., Waas, A.M. Measurement of In Situ-Full-Field Strain Maps on Ceramic Matrix Composites at Elevated Temperature Using Digital Image Correlation. Exp Mech, 2015, 55, pp. 795–802, DOI: 10.1007/s11340-014-9979-7 Zvolené metody řešení Výzkum a zvolené metody řešení je možno rozdělit do několika částí, které se budou realizovat v experimentálních sériích. 1) 3D tisk keramiky (Ćmiel) • Příprava digitálního modelu pomocí CAD softwaru a úprava modelu pro aditivní výrobu, (tloušťku stěn, podpory a geometrické detaily) • Příprava pro tisk - Export modelu a Slicing (tvorba tiskové trajektorie a nastavení parametrů tisku - rychlost, teplota, výška vrstvy • Tisk keramických prvků • Sušení a vypalování 2) 3D skenování (Pěkníková) • Příprava skenování • Povrchová úprava • Volba skenovací metody a skeneru • Analýza výsledků 3) Zkoušky s využitím Digitální korelace obrazů (Ćmiel, Pěkníková) • Příprava povrchu pro DIC • Provedení zatěžovacích zkoušek (tlaková, ohybová, tahová pevnostní zkouška, tvrdost dle Vickerse, Mohsa atd.) • Analýza deformací 4) Zkoušky mechanických vlastností keramiky a testování tiskové hmoty keramiky (Ćmiel, Pěkníková) V případě tisku je nutné poznamenat, že náročná je také příprava a čištění komponent, 3D tiskárny, ošetřování vzorku/výpal, provádění zkoušek a následnou likvidaci zkušebních těles. Zdůvodnění finančních prostředků: Stipendia: 1. Ing. Petr Ćmiel, – hlavní řešitel (2. ročník doktorského studia) – koordinace projektu, návrh modelů z keramiky, 3d tisk, 3D skenování, měření DIC, specializované zkoušky, technická příprava a realizace experimentů v laboratoři, vyhodnocení dat, publikační činnost (16 000 Kč). Zapojení v projektu v rozsahu cca 120 hod. téma DiP: Diagnostika stavebních konstrukcí Dosavadní výsledky: 1x Jimp, 1x D 1. SUCHARDA, O., GANDEL, R., CMIEL, P., JERABEK, J., BILEK, V. Utilization of High-Performance Concrete Mixtures for Advanced Manufacturing Technologies, Buildings, 2024, 14(8), 2269, DOI: 10.3390/buildings14082269 (Jimp) 2. GANDEL R., JEŘÁBEK J., MARCALÍKOVÁ Z., CMIEL P. The effect of NaOH and KOH on the strength-mechanical properties of alkali-activated composites based on granulated blast-furnace slag (2024) Journal of Physics: Conference Series, 2792 (1), art. no. 012001, Cited 0 times. DOI: 10.1088/1742-6596/2792/1/012001 (D – sborník) 2. Bc. Andrea Pěkníková – spoluřešitel (1. ročník doktorského studia, zápis do studia únor 2025) – technická příprava a realizace experimentů v laboratoři, měření, vyhodnocení dat, asistence při publikování, (12 000 Kč). Zapojení v projektu v rozsahu cca 90 hod. téma DiP: Vysokohodnotný beton s recyklátem a jeho stavební aplikace Za bakalářskou práci uděleno ocenění (celostátní kolo): Vynikající bakalářská práce v oboru betonu – kategorie Technologie Betonu U obou doktorandů se očekává, že budou metody DIC taktéž využity v experimentální části ich dizertační práce. Náklady na stipendia celkem: 28 000 Kč Materiálové náklady: 1. Materiál pro výrobu zkušebních těles z keramiky, cca 30 výtisku (tisková hmota keramiky, chemické přípravky) - 20 000 Kč 2. Komponenty 3D tiskáren – spotřební části – Kit of Nozzles, POM Screw, LDM Extruder, 5L Clay Tank - 15 000 Kč 3. Spotřební materiál pro účely laboratoře (nářadí, sáčky, úložné boxy, OOPP apod.) - 2 000 Kč 4. Spotřební materiál pro 3D skenování a měření DIC (značky, sprej pro značkování, atd.) - 4000 Kč. Náklady na materiál celkem: 41 000 Kč Drobný hmotný majetek – samostatný vzduchový kompresor pro dopravní cestu k tiskárně (v současné době je sdílen s dalším části laboratoře – eliminuje se časové omezení, lepší výkon, atd.) - 10 000 Kč Služby: 1. Časopis CEE (Jimp) - 20 000 Kč 2. Náklady laboratoře stavebních hmot – dle zásad pravidel SGS (kalibrace, resp. opravy a údržba – služba – poměrná část nákladů, domluveno s VK223) – 4 000 Kč 3. Aktivní účast na semináři Kobylí (Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí) – 4 395 Kč Náklady na Služby celkem: 28 395 Kč Cestovné: 1x Seminář – Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí (cestovné a ubytování) – 2 000 Kč Náklady na cestovné celkem: 2 000 Kč Režie: 12 155 Kč Harmonogram prací: Leden - únor Podrobná rešerše literatury týkající se problematiky 3D tisku keramiky, 3D skenování a využití metody DIC. Únor - březen Příprava 3D digitálního modelu a jeho optimalizace, slicing modelu, příprava tiskárny – zkušební tisky. Duben – květen Tisk keramických prvků (1), sušení a následné vypalování. Květen – červen 3D skenování - Příprava předmětů, ladění parametrů skenování a skenování. Červen – červenec Provádění 3D skenování a zpracování a analýza získaných dat., tisk aktualizovaných modelů - Tisk keramických prvků (2) Srpen – září Provádění 3D skenování a zpracování a analýza získaných dat, zkouška s digitální korelací obrazů (DIC) Říjen – listopad Souhrnné zpracování a analýza dat. Příprava publikace (Jimp). Účast na semináři v Kobylí Rozsah prací je možné rozdělit do třech testovacích série, každá o minimálně cca 10 testovací tělesech/vzorcích.

2025

2025

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Ćmiel Petr Ing.