Projekty a granty

Použitelnost 3D tisku pro výrobu optimalizovaných tvarů spojů stavebních konstrukcí

SP2025/075

V posledních letech a desetiletích se stavebnictví potýká s novými výzvami a úkoly, které je třeba řešit pomocí nových technologií a přístupů. Jedním z takových přístupů je 3D tisk [1]. Pro potřeby 3D tisku je nejprve nutné vytvořit model v počítačovém programu, který je následně zpracován specializovaným přípravným softwarem přizpůsobeným konkrétní technologii 3D tisku. Nejrozšířenější metodou je FFF/FDM, při níž se filament roztavuje a nanáší v jednotlivých vrstvách, které se postupně skládají do výsledného modelu. Vytvořený prostorový model je možné používat pro numerické simulace [2]. Aplikace 3D tisku může pomoci vytvářet složitější tvary a konstrukční prvky, které lépe využívají výhodnou topologii prvku s ohledem na rozložení vnitřního napětí. 3D tisk je aplikovaný v mnoha průmyslových odvětvích [3]. Možnou aplikací je například vytvoření takového tvaru bednění pro betonové konstrukce, které by jinak bylo nesmírně obtížné vyrobit [13]. S podobným principem technologie byla dokonce vyrobena ocelová lávka v Amsterdamu [14], která pracuje s optimalizací tvaru a organickým designem. Dalším využitím a potenciálním přínosem 3D tisku plastů jako výztuže betonových prvků [15]. Samostatným a poměrně rozšířeným odvětvím je 3D tisk betonu (3DCP - 3D Concrete Printing), který využívá podobný princip jako technologie FFF/FDM (tisk vlákna nanášeného ve vrstvách), ale nese s sebou jiná úskalí a úkoly [4]. Touto oblastí se předložený projekt nezabývá. Uvedené příklady 3D tisku, mají mnoho společných principů, které řešíme i u běžných domácích tiskáren s technologií FFF/FDM. Jedná se například tisk pomocí vlákna, které je nanášeno či jinak spojováno s předchozími vytištěnými vlákny, která jsou pokládána ve vrstvách. Díky tomu má každý 3D tištěný objekt anizotropní vlastnosti, které můžeme optimalizovat uspořádáním vláken k získání ortotropních vlastností. Přirozeným výsledkem je tedy větší pevnost ve směru tištěných vláken, a naopak nejmenší v jejich příčném směru. Díky tomu je tedy možné nejprve vytvářet prototypy na běžné tiskárně k ověření některých funkčních vlastností ještě před tím, než je využita nákladnější technologie a materiál pro finální prvek. 3D tisk jiných materiálů, jako jsou plasty (syntetika) a kovy, je ve stavebnictví omezen. Najdeme jen několik málo reálných příkladů, které ukazují silnou snahu o zajímavý design a moderní pojetí v tomto odvětví [5–8]. Klíčovou příležitostí, kterou aditivní výroba nabízí oproti tradičním výrobním postupům, je geometrická flexibilita v makro i mikro měřítku, která umožňuje vysoce optimalizované tvary struktury. 3D tištěné FFF/FDM komponenty využívající plastový materiál nejsou obecně vhodné jako primární nosné spoje v dřevěných nebo ocelových konstrukcích, pokud nejsou pečlivě navrženy s ohledem na zatížení a dlouhodobou odolnost. Mohou však sloužit jako pomocné prvky, např. pro distanční vložky, neformální spoje nebo dočasné konstrukce, kde není hlavním požadavkem vysoká únosnost a trvanlivost. V případech, kde je potřeba pevnostní řešení, lze použít kvalitnější materiály nebo jinou technologii výroby. Zároveň je možné zvážit hybridní přístup, například kombinaci 3D tisku s různými materiály (výplňový a vysokopevnostní materiál) nebo s kovovými výztužemi a jinými materiály. V kontextu předchozích výzkumů, konkrétně projektů (SGS 2021/83, SGS 2022/96, SGS 2023/098 a SP2024/093), kde byly analyzovány mechanické vlastnosti 3D tištěných materiálů technologiemi FFF/FDM [10], představuje navrhovaný projekt přirozené pokračování a rozšíření těchto předchozích studií. Nejen díky těmto projektům vznikla na Katedře stavební mechaniky specializovaná 3D laboratoř [11], kde jsou tiskárny české značky Prusa [12]. V předchozích letech se tým soustředil mimo jiné na využití 3D tištěných výztuh [9] pro dřevěné prvky nebo 3D tištěných spojů pro dřevo [2]. Získané zkušenosti a poznatky vedou ke konceptu v předloženém projektu. Cílem bude vytvořit atypicky tvarované spojovací prvky optimálního napojení buď dřevěných konstrukčních prvků nebo tenkostěnných nosníků (s jejich specifickými rozdíly). Současně budou vytvořeny numerické modely spojů pro parametrickou studii a přípravu experimentálních vzorků. Modely budou na základě mechanických testů verifikovány a výsledky budou prezentovány formou příspěvků na mezinárodních vědeckých konferencích a významných impaktovaných časopisech. Součástí projektu je i finalizace algoritmu pro vytváření parametricky definované vnitřní struktury nosníků pomocí technologie 3D tisku. Algoritmus má za cíl dosáhnout optimálních výsledků z hlediska pevnosti, materiálové efektivity a času potřebného k výrobě. Pomocí projektu bude také podpořena finální fáze testování pro disertační práci hlavního řešitele, která bude odevzdána v průběhu řešení. Díky dosavadní spolupráci školitele s kolegy z oddělení 3D ProtoLab (Katedra obrábění, montáže a strojírenské metrologie, Fakulta strojní, VŠB-TUO) budou vědecká témata 3D tisku diskutována i v rámci oblasti metalických materiálů a jejich možného využití pro atypické stavební spoje. Toto téma navíc výrazně využijí minimálně dva členové studentského týmu. REFERENCE [1] SU, Amanda a Subhi J. AL’AREF. History of 3D Printing. 3D Printing Applications in Cardiovascular Medicine [online]. 2018, 1–10 [vid. 2024-03-08]. Dostupné z: doi:10.1016/B978-0-12-803917-5.00001-8 [2] LEHNER, Petr, Přemysl PAŘENICA, David JURAČKA a Martin KREJSA. Numerical analysis of 3D printed joint of wooden structures regarding mechanical and fatigue behaviour. Fracture and Structural Integrity [online]. 2024, 19(71), 151–163. ISSN 1971-8993. Dostupné z: doi:10.3221/IGF-ESIS.71.11 [3] CYPLIK, Piotr a Mateusz ZWOLAK. INDUSTRY 4.0 AND 3D PRINT: A NEW HEURISTIC APPROACH FOR DECOUPLING POINT IN FUTURE SUPPLY CHAIN MANAGEMENT. Logforum [online]. 2022, 18(2). ISSN 1734459X. Dostupné z: doi:10.17270/J.LOG.2022.733 [4] FEDEROWICZ, Karol, Mateusz TECHMAN, Szymon SKIBICKI, Mehdi CHOUGAN, Ahmed M. EL-KHAYATT, H. A. SAUDI, Jarosław BŁYSZKO, Mohamed ABD ELRAHMAN, Sang Yeop CHUNG a Pawel SIKORA. Development of 3D printed heavyweight concrete (3DPHWC) containing magnetite aggregate. Materials and Design [online]. 2023, 233. ISSN 18734197. Dostupné z: doi:10.1016/j.matdes.2023.112246 [5] KANYILMAZ, Alper, Ali Gökhan DEMIR, Martina CHIERICI, Filippo BERTO, Leroy GARDNER, Sastry Yagnanna KANDUKURI, Paul KASSABIAN, Takuya KINOSHITA, Andrea LAURENTI, Ingrid PAOLETTI, Anton DU PLESSIS a Nima RAZAVI. Role of metal 3D printing to increase quality and resource-efficiency in the construction sector [online]. 2022. ISSN 22148604. Dostupné z: doi:10.1016/j.addma.2021.102541 [6] MECHTCHERINE, Viktor, Jasmin GRAFE, Venkatesh N. NERELLA, Erik SPANIOL, Martin HERTEL a Uwe FÜSSEL. 3D-printed steel reinforcement for digital concrete construction – Manufacture, mechanical properties and bond behaviour. Construction and Building Materials [online]. 2018, 179. ISSN 09500618. Dostupné z: doi:10.1016/j.conbuildmat.2018.05.202 [7] PAOLINI, Alexander, Stefan KOLLMANNSBERGER a Ernst RANK. Additive manufacturing in construction: A review on processes, applications, and digital planning methods [online]. 2019. ISSN 22148604. Dostupné z: doi:10.1016/j.addma.2019.100894 [8] SKORATKO, Aneta a Jacek KATZER. Harnessing 3d printing of plastics in construction—opportunities and limitations [online]. 2021. ISSN 19961944. Dostupné z: doi:10.3390/ma14164547 [9] DEDEK, Jan, David JURAČKA, David BUJDOŠ a Petr LEHNER. Mechanical Properties of Wooden Elements with 3D Printed Reinforcement from Polymers and Carbon. Materials [online]. 2024, 17(6). ISSN 19961944. Dostupné z: doi:10.3390/ma17061244 [10] JURACKA, David, Marek KAWULOK, David BUJDOS a Martin KREJSA. Influence of Size and Orientation of 3D Printed Fiber on Mechanical Properties under Bending Stress. Periodica Polytechnica Civil Engineering [online]. 2022, 66(4). ISSN 15873773. Dostupné z: doi:10.3311/PPci.19806 [11] 3D laboratoř Katedry stavební mechaniky, FAST, VŠB-TUO [online]. [vid. 2024-12-07]. Dostupné z: https://www.fast.vsb.cz/228/cs/veda-a-vyzkum/3D-laborator/ [12] PRUSA I3. Original Prusa i3 MK3S+ 3D printer | Original Prusa 3D printers directly from Josef Prusa. PRUSA Research. 2022. [13] JIPA, Andrei a Benjamin DILLENBURGER, 2022. 3D Printed Formwork for Concrete: State-of-the-Art, Opportunities, Challenges, and Applications. 3D Printing and Additive Manufacturing [online]. 2022-04-01, 9(2), 84-107 [cit. 2025-02-26]. ISSN 2329-7662. Dostupné z: doi:10.1089/3dp.2021.0024 [14] MX3D Bridge. (2023). MX3D. Retrieved February 26, 2025, from https://mx3d.com/industries/mx3d-bridge/ [15] KATZER, Jacek a Tomasz SZATKIEWICZ, 2020. Effect of 3D Printed Spatial Reinforcement on Flexural Characteristics of Conventional Mortar. Materials [online]. 13(14) [cit. 2022-04-11]. ISSN 1996-1944. Dostupné z: doi:10.3390/ma13143133 PŘEHLED POUŽITÝCH METOD: 1) Výroba na Prusa i3 MK4 a Prusa XL www.fast.vsb.cz/228/cs/veda-a-vyzkum/3D-laborator/. 2) Určení přesných mechanických vlastností materiálu PC Blend (polykarbonát), PETG a dřevěných prvků na základně experimentů dle: Stanovení vlastností při namáhání tlakem (ČSN ISO 604), Stanovení vlastností při namáhání smykem (ČSN EN 15497), Testování vzorků na tříbodový ohyb (ČSN EN ISO 178). Budou využity zkušební stroje Labtest 6.1200 a Labtest 6.600 (zkušební lis) v budově Experimentálního a diagnostického stavebního centra, FAST (obsluha Ing. Pavel Dobeš, Ph.D.). Počet laboratorních testů základních materiálů v počtu 10 až 12 kusů. 3) Statistické vyhodnocení změřených dat, analýza extrémních hodnot (PC, Excel, Matlab). 4) Experimentální testování optimalizovaných spojů. Budou využity zkušební stroje Labtest 6.1200 a Labtest 6.600 (zkušební lis) v budově Experimentálního a diagnostického stavebního centra, FAST (obsluha Ing. Pavel Dobeš, Ph.D.). Pro měření mimo hlavu lisu budou využity tenzometry (ve vlastnictví katedry 228). Počet laboratorních testů optimalizovaných spojů v počtu 20 až 26 kusů. 5) Numerické modely základních vzorků i optimalizovaných spojů pomocí MKP Software Ansys (případně alternativních programů) a jejich verifikace na základě experimentálních dat. Modely budou připraveny dle analýzy GMNIA (geometricky a materiálově nelineární analýza s imperfekcemi). Vzhledem k plánované parametrické studii není možné určit počet modelů. Odhad minimálního počtu modelů: 15 geometrických variant × 3 typy okrajových podmínek = 45. HARMONOGRAM PRACÍ: leden-únor: příprava a rešerše, první numerické modely, zaslání abstraktů na konferenci Modelování v mechanice, březen-duben: koordinace výroby vzorků (cca 10 kusů), testování materiálových vlastností 3D a dřeva (10 až 12 kusů), příprava numerických modelů (cca polovina), příprava článků na konferenci Modelování v Mechanice 2025, květen: účast na konferenci Modelování v Mechanice 2025 – 3 příspěvky, téma zahrnující jak optimalizaci 3D tisku, tak spojovací techniky a numerické modelování – každý z příspěvků bude mít na starost jeden z členů týmu, příprava testování, koordinace týmu, tisk prototypů, červen-září: testování většího množství vzorků spojů (20 až 26), příprava numerických modelů (druhá polovina), příprava a zaslání jednoho z impaktovaných článků, příprava článků pro konferenci SPACE 2025, říjen: účast na konferenci SPACE 2025 – 1 příspěvěl, téma zahrnující dílčí výsledky testování a validace numerických modelů, listopad: příprava a zaslání druhého z impaktovaných článků. ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ Složení týmu odpovídá pravidlům SGS pro rok 2025. Odhadovaný pracovní výkon je uveden v závorce. Odměny (stipendia) jsou uvedeny v položce „Finanční náklady“ a odpovídá pravidlům a zvyklostem SGS. Ing. arch. David Juračka (cca 8 h/týden) – Katedra stavební mechaniky, student Ph.D. - koordinace týmu, komunikace, příprava projektu, - práce na algoritmu pro tvorbu vnitřních struktur tištěných objektů, - výroba vzorků, obsluha 3D tiskáren (3 ks na Katedře stavení mechaniky), - příprava posterů na konference, - příprava článků na konference a do časopisů, - aktivní účast na jedné nebo dvou vědeckých konferencích, - projekt přímo souvisí s tématem disertační práce – Tuhostní a statická analýza a optimalizace tvaru vybraných 3D tištěných průřezů. (Hlavní řešitel v září 2025 odevzdá disertační práci, s předpokladem ukončení studia obhajobou v listopadu 2025. Proto jeho post k 1. 11. 2025 převezme student Ph.D. studia Dominik Gřešica, jehož školitelem je také prof. Ing. Martin Krejsa, Ph.D. Hlavní řešitel zůstane s týmem nadále v úzkém kontaktu, jelikož je rovněž zaměstnancem na Katedře stavební mechaniky). Ing. Dominik Gřešica (cca 8 h/týden) – Katedra stavební mechaniky, student Ph.D.: - práce na numerických modelech 3D tištěných spojů, - vyhodnocení dat z testů, - pomoc s přípravou experimentálních sestav a testování, - příprava článků na konference a do časopisů, - příprava prezentací pro konference, - aktivní účast na jedné nebo dvou vědeckých konferencích, - projekt souvisí s tématem disertační práce v oblasti numerického modelová a využitelnosti 3D tisku pro spoje u tenkostěnných průřezů – Globální statická analýza lehké ocelové haly se zaměřením na spoje nosných tenkostěnných prvků. (Nástup na studium Ph.D. v únoru 2025, v současnosti student Mgr. BIM. Od 1. 11. 2025 převezme post hlavního řešitele projektu – viz výše). Ing. Marek Kawulok (cca 2 h/týden) – Katedra stavební mechaniky, student Ph.D.: - testování numerických modelů, vyhodnocování výsledků modelování, - projekt souvisí s tématem disertační práce v oblasti analytického a numerického modelování, a také proto, že součástí DiP je vývoj laboratorního zařízení s použitím 3D tisku - Kulový pohlcovač jako pasivní dynamický tlumící člen. Ing. Kateřina Matýsková (cca 1 h/týden) – Katedra stavebních hmot a diagnostiky staveb, studentka Ph.D.: - konzultace přípravy testování, - přímá souvislost v oblasti 3D tisku na bázi netradičních cementových kompozitu, aplikace podobných principů – Vliv granulometrie cementu a příměsí na vlastnosti betonů s ternárními pojivy. Ing. arch. Barbora Křistková (cca 1 h/týden) – Katedra konstrukcí, studentka Ph.D.: - pomoc při navrhování tvarů spojů a rešerši tématu, - přímá souvislost v oblasti 3D tisku na bázi metalických materiálů, aplikace podobných principů – Navrhování skleněných konstrukcí s kovovými komponenty vytvořenými pomocí 3D tisku. Ing. Marie Horňáková, Ph.D. (cca 1 h/týden) – Katedra stavební mechaniky, AP: - příprava článků, - aktivní účast na vědecké konferenci. Ing. Pavel Dobeš (celkem 30 hodin/rok) – Experimentální a diagnostické stavební centrum, AP: - obsluha laboratorního vybavení (zkušební stroj Labtest 6.1200 a Labtest 6.600), - experimentální testování materiálu (cca 10 až 12 kusů), - experimentální testování spojů (cca 20 až 26 kusů). prof. Ing. Martin Krejsa, Ph.D. (cca 0,5 h/týden) – Katedra stavební mechaniky, AP: - školitel hlavního řešitele, školitel jednoho z členů týmu, - mentoring. PŘEDCHÁZEJÍCÍ PROJEKTY SGS JAKO HLAVNÍ ŘEŠITEL SGS 2021/83: Analýza chování 3D vzorků tištěných technologií FFF při namáhání ohybem, SGS 2022/96: Analýza chování kompozitních 3D vzorků tištěných technologií FFF/FDM při namáhání ohybem, SGS 2023/098: Analýza algoritmu pro vnitřní struktury 3D tištěných objektů, SGS 2024/093: Pevnostní a materiálová optimalizace 3D tištěných prvků. ZDŮVODNĚNÍ PLÁNOVANÝCH FINANČNÍCH NÁKLADŮ Celkový objem financí 266 850Kč. Stipendia – 148 000 Kč/rok (zapojení týmu je podrobně zdůvodněnu v jiné části návrhu): 59 000 Kč – Ing. arch. David Juračka 59 000 Kč – Ing. Dominik Gřešica 8 000 Kč – Ing. Kateřina Matýsková 14 000 Kč – Ing. Marek Kawulok 8 000 Kč – Ing. arch. Barbora Křistková Osobní náklady – 9 434 Kč/rok (mzda po dohodě s vedoucím Exp.) 9 434 Kč – Ing. Pavel Dobeš, Ph.D. (30∙235 = 7 050 Kč, odvody a pojistné 2 384 Kč). Materiálové náklady – 34 131 Kč/rok 20 211 Kč – tiskový a spotřební materiál na 3D tiskárnách: základní tiskový filament (20 ks á 700 Kč), náhradní trysky, tiskové pláty, adhezivní spreje pro přilnavost tiskového materiálu k podložce, skleněný plát, plexiskla, šrouby (6 211 Kč). 4 000 Kč – dřevěný materiál: rostlé smrkové dřevo, rostlé bukové dřevo a KVH hranoly pro testování dílčích mechanických vlastností a pro experimentální testování spojů (2x20 ks á 100 Kč/m). 3 920 Kč – speciální ocelové přípravky pro uchycení vzorků při experimentálním testování a přenos zatížení (4 ks á 980 Kč). 6 000 Kč – obnova hardware (zvýšení výkonu) u výpočetní stanice pro numerické modelování. Služby – 29 800 Kč/rok 3 000 Kč – kalibrace pro přístroje v laboratořích. 18 800 Kč – vložné na konferenci Modelování v Mechanice 2025: 1 x 7 600 Kč, 2 x 5 600 Kč. 8 000 Kč – vložné na konferenci SPACE 2025: 1 x 8 000 Kč. Cestovní náhrady – 18 800 Kč 10 800 Kč – cestovné a ubytování na konferenci Modelování v Mechanice 2025: 3 x 3 600 Kč. 8 000 Kč – cestovné a ubytování na konferenci SPACE 2025: 1 x 8 000 Kč. Režijní náklady 10 % z celkové částky – 26 685 Kč

2025

2025

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Juračka David Ing. arch.