Technologie digitálního betonu spojuje speciální betonovou směs, topologickou optimalizaci projektů, a především robotickou fabrikaci. tedy využívání robotického ramena pro samotnou výrobu. Technologie robotické fabrikace umožňuje výrobu bez použití klasických forem, čímž výrazně snižuje fixní náklady i čas přípravy. Pro každý projekt je však nezbytné optimalizovat materiál a výrobní postupy podle specifického zadání. V tomto případě byla zvolena metoda extruze vysokopevnostního betonu s příměsí průmyslového recyklátu a vláken. Tento přístup přináší rozmanitost vzhledu, tvarovou volnost, vysokou přesnost a možnost přizpůsobení každého dílce architektonickému záměru.

Rychlost, přesnost a povrch

Proces robotické fabrikace začíná vytvořením základního tvaru objektu, a to v řádu desítek minut v závislosti na jeho velikosti. Následuje řízené zrání materiálu a následné robotické obrábění, například frézováním, s využitím palety obráběcích nástrojů. Finální fáze zahrnuje broušení pohledových ploch.

Přesnost dráhy robota dosahuje ±1–2 mm, takže výsledná tolerance dílce se pohybuje v rozmezí ±3–5 mm podle požadavků a rychlosti výroby. Optimalizací procesu frézování a broušení se podařilo dosáhnout hladkého povrchu s jemnou texturou, která zvýrazňuje přítomnost recyklovaného kameniva. Výsledkem je charakteristický vzhled odkazující na původní industriální zástavbu.

Výztuž a kotvení

Každá tvarovka je tvořena tenkostěnnou betonovou skořepinou s integrovanou ocelovou výztuží navrženou pro přenos lokálních tahových a montážních napětí. Výztuž je propojena s nerezovými kotevními a spojovacími prvky, které zajišťují přesné osazení panelů na železobetonový nosný skelet.

Aplikace v projektu Modřanský cukrovar

V projektu Modřanský cukrovar (Skanska Residential, arch. CHYBIK+KRISTOF) byla technologie robotické fabrikace využita pro výrobu mock-upu fasádního ostění okna. Ostění tvoří pět navazujících tvarovek – nadpraží/římsa, dvě svislá ostění a parapetní díl – jejichž geometrie zaručuje rychlou montáž a přesnou návaznost spár. Pohledové plochy jsou laděny tak, aby odpovídaly estetickému záměru investora i architektů.

Konstrukční řešení propojuje digitální přesnost, materiálovou udržitelnost a architektonickou výraznost. Robotická fabrikace zde nepředstavuje experiment, ale plnohodnotnou výrobní metodu, která spojuje inovaci s průmyslovou kvalitou a estetikou ruční práce.

Koncepce materiálového řešení

„Nejdříve byla uvažována skladba obkladu formou sendviče UHPC + „rebetong“ – výhodné z hlediska statického ověření, jednoznačně definovatelné parametry především UHPC části sendviče. Na základě interních statických výpočtu a obav ze soudržnosti sendvičového řešení je referenčním výrobcem spíše uvažováno sloučení UHPC a „rebetongu“ do jedné vrstvy předpokládané tloušťky obkladu 30 mm.“

Pro realizaci byla směs navržena tak, aby:

• plnila statické požadavky – vysokopevnostní beton vyztužený vlákny,

• byla vhodná pro kontinuální výrobu pomocí technologie 3DCP,

• umožňovala extruzi tryskou o průměru 14 mm (pro dosažení požadované geometrie),

• plnila estetickou funkci,

• byla provedena certifikace fasádních prvků včetně klasifikace reakce na oheň A1.

Nasákavost směsi roste s použitím recyklátu. Přítomnost cihelných nebo porézních částí snižuje mrazuvzdornost. Jemné frakce stavebního recyklátu do 4 mm nebylo v praxi možné zajistit. Vzhledem k nutnosti certifikace výrobku bylo nutné hledat dostupné certifikované kamenivo do betonu.

Umělé kamenivo z recyklované strusky má oproti kamenivu ze stavebního odpadu vyšší pevnost a odolnost. Standardní frakce se skládá ze zrn různého odstínu. Po vybroušení materiálu jsou odhalena kontrastní světlá a tmavá zrna kameniva v červeně probarvené matrici.

Vizuální efekt byl dosažen:

• použitím anorganického pigmentu (19 kg/m³),

• přídavkem struskového recyklátu (frakce 3–5 mm),

• přídavkem antuky CN 4 (frakce 2–5 mm) ve formě mechanicky drcených cihelných střepů, tašek a cihel.

Oba typy plniva byly přidávány v množství do 5 % objemu směsi.

Série certifikovaných zkoušek byla provedena na materiálu s přídavkem struskového recyklátu. Předběžné zkoušky prokázaly, že dodatečný přídavek antuky (souhrnně do 10 % recyklovaného kameniva) nezpůsobuje pokles mechanických vlastností materiálu.

Určujícím parametrem kvality finálního obkladového materiálu je především pevnost v tahu za ohybu. Tenkostěnné prvky se vyznačují následujícími hodnotami dle ČSN EN 1170-5:

• nad 8 MPa ve směru rovnoběžném s tiskovou plochou (X-Y směr, horizontální směr) – σLOP, σMOR > 8 MPa, prům. 10,6 MPa,

• nad 6 MPa ve směru nanášení vrstev (vertikální Z směr) – σLOP, σMOR > 6 MPa, prům. 7,6 MPa.

Vyztužení bylo provedeno pomocí PVA vláken délky 12 mm v objemu 10 g/l. Vlákna se ukládají rovnoběžně s tiskovou plochou; tento směr vykazuje pevnost 4,45 MPa při trhlině 0,5 mm, fakticky eliminováné křehké porušeni při zamýšleném způsobu použiti. Vlákna PVA jsou známá svou vysokou pevností, elasticitou a odolností vůči chemikáliím. Navíc po dokončení postprocessingu nejsou v betonové matrici viditelná.

Požadavky na směs pro 3D tisk (3DCP)

Proces výroby je založen na kontinuálním míchání: jednotlivé složky betonové směsi (základní vysokopevnostní betonová směs, pigment, vlákna, kamenivo, aktivátor) jsou nepřerušovaně dávkovány, smíchávány, čerpány a ukládány v průběhu výroby jednoho dílu.

Bylo nutné vyvinout doplňkové technologie pro kontinuální přidávání vláken a kameniva. Poměry jednotlivých složek byly voleny tak, aby byla zajištěna čerpatelnost, extrudovatelnost a stavitelnost směsi pro požadovanou geometrii. Bylo nutné pracovat s limity současné technologie spočívající v množství a velikosti frakce kameniva, stejně jako v množství a typu použitých vláken.

Extruze probíhala rychlostí 2,2 l/min, přičemž výroba třímetrového prvku s variabilním průřezem trvala přibližně 120 minut. Během následujících 120 minut materiál dosahuje optimální pevnosti pro post-processing – zbroušení několika milimetrů materiálu z pohledových částí dílce a odhalení vnitřní struktury. Tento proces je ukončen během dalších cca 120 minut pro jeden modul. (Následující den se provádí uložení výztuže, prolití komor jemnozrnnou vysokopevnostní směsí. Následně leštění povrchu pro dosažení finálního vizuálního efektu)