Drömmar av betong

De första 3D-skrivarna som användes i arkitektur spelade en stödjande roll i designprocessen: att producera plastmodeller för utställningsändamål och presentationer. Nu börjar större skrivare tillverka betongkomponenter som används för att bygga verkliga byggnader. Vid Technical University of Liberec (TUL) i Tjeckien förbereder dock ett team av forskare redan för nästa steg i denna utveckling: mobila robotar som ska göra utskriften direkt på byggarbetsplatsen.

3D-utskrifter lovar spännande fördelar inom byggnadskonstruktion. Byggnadskomponenter trycks nu av en blandning av betong och armeringsmaterial. De nya designmöjligheterna inspirerar arkitekternas kreativitet och komponenterna är betydligt mer ekonomiska att producera. Eftersom de inte kräver den omfattande formning som krävs för konventionella monolitiska strukturer, resulterar de också i mindre avfall.

Hur spännande dessa experimentella metoder än må vara har den nuvarande tekniken fortfarande nackdelar. Komponenterna tillverkas i en produktionshall och måste transporteras till byggarbetsplatsen. Fordonen som används för transport begränsar komponentdimensionerna och genererar stora logistikkostnader samt utgör en betydande miljöpåverkan. Nuvarande system skriver också ut endast de vertikala elementen i byggnaden, medan de horisontella plattorna för golv och tak skapas med konventionella metoder.

Forskargruppen TUL strävar efter att övervinna dessa nackdelar och skriva ut hela flervåningsbyggnader – inklusive golv och tak – direkt på byggarbetsplatsen. Den mobila 3D-utskriftsroboten kommer att heta Printing Mantis, på grund av robotarmens likhet med de långsträckta frambenen på praying mantis-insekten. Projektet genomförs i samarbete med Institute of Information Theory, Automation of the Academy of Sciences i Tjeckien och Klokner Institutet vid Tjeckiska tekniska universitetet i Prag och kommer att innehålla styrning, drives, HMI och programvara från B&R .

Jiří Suchomel, från TUL-fakulteten för konst och arkitektur, förutspår att utskrift på plats med Printing Mantis kommer att ge arkitekter ännu större plats för att kreativt implementera invecklade former med noggrannhet på 2-3 millimeter. Roboten kommer montera byggnader i flera våningar på plats som stora Lego-bitar. "Horisontella plattor kommer att skrivas ut på marken och hissas på plats, medan de vertikala väggarna kommer att skrivas ut direkt på sin slutliga plats", beskriver Suchomel. "Allt direkt på plats."

Cementproduktionen har en betydande miljöpåverkan, och den makadam och grus som läggs till för att göra betong är begränsad. "Därför vill vi bygga lätta, tunna väggar i betongkonstruktioner med okonventionella förstärkningar", förklarar Suchomel. "Det minskar materialförbrukningen avsevärt."

De 3D-skrivare som de flesta av oss känner till använder pulver och plast. Att anpassa designen för att skriva ut ett hus innebär mer än att bara ersätta dessa material med konventionell betong. Bara cementblandningen är en stor utmaning. Det måste vara tillräckligt flexibelt att arbeta med, men också stelna tillräckligt snabbt för att stödja efterföljande lager. Vanlig betong härdar efter 28 dagar, men den tryckta strukturen måste kunna hålla upp sig själv omedelbart.

En annan viktig utmaning är att ge roboten möjlighet att skriva ut väggar med praktiskt taget alla kurvor, inklusive böjpunkter, skarpa vinklar och avbrott. "Det är viktigt, för att vi ska kunna ge arkitekter maximal frihet", säger en av Con4Bots ledande formgivare, docent Václav Záda från TUL Institute of Mechatronics and Computer Engineering. Roboten är utformad på ett sådant sätt att den fortsätter röra sig, även om utskriftsprocessen avbryts för ett fönster eller en dörrfördjupning. "Den stora roboten kan behålla sin betydande kinetiska energi", säger Záda, "och det är något som andra maskiner inte kan göra."

När den är klar kommer Printing Mantis vara en roterande och glidande robotarm med en horisontell räckvidd på upp till 5,6 meter och en vertikal räckvidd på 3,3 meter. Projektet genomförs med två testuppsättningar. Den första är en SCARA-robot som för just nu testas i skala 1:4. Den fullskaliga versionen kommer senare transporteras med lastbil. Den andra är en Cartesian-robot vid Klokner-institutet i Prag, där forskare testar och utvecklar skrivarhuvudet tillsammans med olika blandningar av byggmaterial.

Efter ett decennium av samarbete med B&R visste forskargruppen att automationskomponenterna inte bara skulle leverera nödvändig prestanda utan också skalbarheten för att växa tillsammans med roboten genom framtida faser av utveckling och implementering. "Vi sätter ihop en automationslösning som kan hantera alla nya krav som visar sig på vägen", säger B&R-ingenjör Tomáš Kohout.

Drivsystemet innehåller axlar med absolutlägesgivare, servomotorer, ett modulärt styrsystem och avancerade säkerhetsfunktioner. "Det integrerade B&R rörelsestyrsystemet gjorde lösningen mycket trevlig att arbeta med, både för designers och för framtida operatörer", säger Leoš Beran från TUL Institute of Mechatronics and Computer Engineering. "Lösningen är exceptionellt skalbar för framtiden, vilket är särskilt viktigt för ett banbrytande forskningsprojekt som detta."

Robotens sluteffektor och skrivarhuvud drivs av ett B&R-styrsystem. Kärnan i programvaran för 3D-utskrift är baserad på standard B&R CNC-komponenter. Dessutom tillhandahöll B&R:s mapp Technology färdiga mjukvarukomponenter som räddade teamet från att behöva programmera grundläggande funktioner som recept- och användarhantering.

Styrningsprogramvaran körs på en kraftfull industriell PC från B&R:s Automation PC-serie. "Förutom styrprogramvaran kommer Automation PC också att köra den webbaserade HMI-applikationen", säger Kohout. HMI-applikationen visas på en svängarmmonterad automationspanel 5000 med anpassade manöverelement. "Den avancerade HMI:n erbjuder en hög grad av flexibilitet och kontrollergonomi," konstaterar Kohout, "och den webbaserade HMI-applikationen kan lika enkelt ses på en PC, smartphone eller surfplatta."

När och var Printing Mantis kommer att skapa sin första flervåningsbyggnad på plats återstår att se. Det beror bland annat på hur byggregler för tryckta strukturer kommer se ut. En sak är dock säker: med B&R som automationspartner har forskargruppen tillgång till en bred portfölj av flexibla, skalbara lösningar - och kan snabbt och enkelt anpassa Printing Mantis till de utmaningar som den möter med utskrift av framtidens byggnader.