Computer aided manufacture of atypical building components based on concrete and its economical comparison with conventional technology

Rozvoj CAM výroby ve stavebnictví, zejména aditivní výroby pomocí 3D tisku má do budoucna velký potenciál. Tomuto tématu ze zatím v ČR nedostalo velké pozornosti. Práce částečně navazuje na doposud provedený výzkum Ing. Zemánkem a Ing. Kováříkem v rozvoji 3D tisku na bázi cementu na ČVUT. Zaměřením této diplomové práce je na proveditelnost aditivní a subtraktivní výroby a její ekonomické zhodnocení oproti standardním technologiím. Pro určení proveditelnosti, kvality a nákladů na výrobu byly vytvořeny dvě zkušební tělesa. První srovnávací těleso bylo vyrobeno standardní metodou betonáže. Druhé těleso bylo vyrobeno metodou ručního 3D tisku simulující strojově vedenou výrobu. Výroba těles navazuje ekonomickým zhodnocením možnosti použití technologie 3D tisku při realizaci fasádních panelů domu o nepravidelných tvarech. Analýza zjistila, že typových panelech je metoda 3D tisku zhruba 2x nákladnější. Výrazná změna nákladů, je při změně složitosti a počtu druhů vyráběných panelů. Při změně výroby z typových panelů (pouze 2 druhy panelu) na atypické (58 druhů panelů) se náklady na výrobu pomocí 3D zvedly pouze o 2,7%. Oproti klasické betonáží, kde se cena mezi typovými a atypickými panely zvedla o více jak 19%. Výrazné navýšení je z důvodu nutnosti konstrukce unikátního bednění pro každý jednotlivý panel. Z hlediska času naopak 3D tisk vychází o 50,2% méně času na celou zakázku. Je to dáno hlavně nepotřebou zřizování bednění a zejména výrazně rychlejším procesem zrání materiálu. Při realizaci jednoho panelu pak na spotřebě času projevuje síla 3D tisku, kdy se nemusí zřizovat bednění a rovnou se tiskne těleso. Největší úsporou času je ale opět rychlost zrání materiálu, to se nejvíce projeví právě na výrobě jednoho kusu panelu. U výroby 3D tiskem jsou největší náklady (80%) na samotný materiál, který je současné době při ceně 21 Kč/kg 7x nákladnější než klasická betonová směs. Cena materiálu je ovšem závislá na raném stádiu výzkumu směsi, stejně jako na malém množství. Při velkovýrobě a optimalizaci složek se dá předpokládat příznivější cena.Development of Computer Aided Manufacturing has great potential in civil engineering in the future. Especially through 3D printing on cement basis materials. This topic hasn't seen much attention in Czech Republic. This work partially continues the previous research of Ing. Zemánek and Ing. Kovářík in their study of 3D printing technology on Czech Technical University in Prague. Focus of this thesis is to evaluate feasibility of additive and subtractive production and its economic potential versus traditional manufacture. Two test samples were manufactured by two different methods for comparison of a quality, cost and time to produce. First method was standard concrete molding and the second method was 3D print. Production of test samples is followed by an economic analysis of use of 3D printing technology for completing a façade made out of standardized or atypically shaped concrete panels. Analysis found out that the use of 3D print is estimated to cost 2x more funds with standardized panels. Major raise in costs was found when producing atypical façade panels. Cost of standard manufacture raised by 19 % while cost of 3D print raise only by 2.7 %. When comparing time, 3D print was more than 50% faster on production of a whole shipment than a standard production method. It is due the need to produce unique molds for every each façade panel when using standard method. 3D print technology doesn't depend on molds and it has faster time for concrete to settle as well. This phenomenon is best seen when producing single only one single product. When using 3D print method, the biggest cost are on material itself (80%). Which is currently more than 7x more than conventional concrete with cost of 21 CZK / kg for 3D print capable material versus 3 CZK / kg for concrete. The price of the new material is due to its high pressure resistance, it's early development and small amounts made at once