Nizozemský startup MX3D ve spolupráci s dalšími partnery dokončil vývoj a výrobu ocelového mostu Stoofbrug – prvního kovového mostu, který byl vytvořen technologií 3D tisku. Most byl na konci října představen na festivalu Dutch Design Week (DDW) v Eindhovenu a nyní čeká na finální instalaci v amsterdamském historickém centru.
Technologie 3D tisku se začínají prosazovat v různých oblastech stavebnictví, jejich uplatnění pro výrobu kovových konstrukcí je specifické a jde vpodstatě o navařování ocelových vrstev na profil konstrukce. Obecně jsou velkou výhodou technologie 3D tisku jednak geometrická flexibilita prvků, kdy je možné vytvořit téměř jakýkoliv tvar, a jednak úspora materiálu, protože při výrobě téměř nevzniká odpad v podobě odřezků.
Vývoj mostu Stoofbrug začal už v červnu 2015. Jeho vývojáři už měli za sebou rozsáhlé testování 3D tisku, respektive navařování kovových konstrukcí pomocí robotů, a podařilo se jim překonat řadu technických těžkostí. Byli už schopni vytvářet zajímavé konstrukce, ale spíše šlo o jemné struktury a menší objekty. Dalším logickým krokem tedy bylo vytvořit prakticky použitelnou konstrukci. Jako pilotní projekt pro ověření nové technologie ve větším měřítku si zvolili most, i jako metaforu překlenutí dalšího „technologického příkopu“.
Oficiální spuštění projektu proběhlo po uzavření několika klíčových partnerství v říjnu 2015. Lokace pro nový most byla vybrána v prosinci 2015. Most přetne kanál Oudezijds Achterburgwal u uličky Stoofsteeg v amsterdamské čtvrti červených luceren. Při celkové rekonstrukci prostoru nahradí zchátralý starý most. Prostor byl přesně zaměřen pro další modelování konstrukce.
Do vývoje se zapojila firma Joris Laarman Lab, který má velké zkušenosti s 3D tiskem, a během roku byl vytvořen detailní návrh konstrukce. Ten se zaměřoval hlavně na tvarovou optimalizaci z hlediska 3D tisku s ohledem na úsporu materiálu pro výrobu. Ukázalo se ale, že s takovouto konstrukcí si nedovedou poradit tradiční inženýrské nástroje a programy, které je nutné použít pro ověření statických a dynamických vlastností konstrukce a zaručit její bezpečnost. Také se vynořila řada neznámých, například ohledně únosnosti stěn středověkého grachtu, a ukázalo se, že je velmi obtížné definovat vlastnosti samotného vytištěného materiálu pro potřeby modelování. Koncept tedy musel být na konci roku 2016 změněn a začalo se uvažovat o konstrukci více využívající tištěné „plechy“ spíše než filigránskou síťovinu, což umožnilo zredukovat tahová napětí. Novou konstrukci už bylo možné pro potřeby standardního posouzení nadefinovat.
Detailní 3D sken prozradil, že zhlaví mostu nejsou přesně v ose, a most je tedy navržen jako asymetrický. Díky využití parametrického navrhování ale bylo možné snadno návrh přizpůsobovat. Tento postup to umožňuje až do té míry, že konstrukci lze upravit i po zahájení 3D tisku.
Finální návrh byl dokončen v únoru 2017, a most tak dostal novou podobu – výraznou organickou formu, která až opulentně demostruje možnosti výrobní technologie. Po všech formálních a administrativních peripetiích a testovacích tiscích začala v březnu 2017 samotná výroba. Začaly se tisknout segmenty zhruba o délce jeden metr, které se následně spojovaly do celku.
Zároveň s projektováním mostu vyvíjeli v MX3D i technologii samotného 3D tisku. Většina 3D tiskáren má prostorové omezení na „kostku“, v níže se pohybuje tisková hlava. Zařízení vyvinuté v MX3D ale tuto nevýhodu překonává. Vznikl mobilní autonomní šestiosý průmyslový robot umožňující tisknout jak drobné, tak rozsáhlé prvky. V září 2017, kdy byla hotova zhruba třetina mostu, bylo možné robota osadit přímo na vznikající konstrukci mostu a naplnila se vize, že robot si konstrukci bude tisknout sám víceméně bez lidského zásahu a bude po ní postupovat kupředu. Tisk byl dokončen v dubnu 2018 a hotový most je 12 m dlouhý, 6,3 m široký a výška konstrukce je 2,1 m.
Další úroveň do projektu přinesla spolupráce s britským Institutem Alana Turinga, který se mj. zabývá zkoumáním umělé inteligence. Na mostě byl díky němu instalován zcela nový druh sítě senzorů. Získaná data umožní vizualizaci chování mostu při zatížení v provozu, zkoumání strukturální integrity konstrukce i ve vztahu k jeho okolí. Už při pilotní instalaci na výstavě v Eidhovenu se po mostě mohli návštěvníci projít, a pomohli tak získat první „provozní“ sadu dat, která doplní údaje získané při zátěžových testech v září 2018. Pro most je vytvořen přesný digitální model, jeho virtuální dvojče. Síť senzorů využívá pokročilé metody analýzy dat, a bude tak možné sledovat v reálném čase chování mostu a data získaná z provozu budou využita pro další projekty a navrhování konstrukcí. Výsledky také poslouží k ověření předpokládaného chování mostu podle projektových modelů a chování skutečného a k dalšímu vývoji těchto modelů.
Matematici z Turingova institutu společně s týmem MX3D naplánovali rozmístění senzorů tak, aby se data dala využít pro další projektování konstrukcí vyrobených 3D tiskem. Na instalaci a provozu sítě senzorů se pak podílejí i další partneři – Arup, Imperial College, Autodesk nebo Force Technologies.
Senzory snímají hodnoty jako například napětí, rotaci, zatížení, posuny a vibrace, navíc sledují i environmentální veličiny, jako jsou kvalita ovzduší a teplota, což umožní sledovat chování mostu a stav konstrukce za přesně daných podmínek, a to jak v jednom okamžiku, tak i v průběhu času po dobu její životnosti. Data zároveň umožní sledovat, kolik osob přes most přechází a jak rychle. Vše se bude přenášet do digitálního dvojčete mostu a s rostoucím množstvím dat pak bude možné zpřesňovat modely chování konstrukce. To by mělo pomoci získat lepší vhled do vlastností tištěných kovových konstrukcí a zajistit jejich bezpečnost.
Projekt mostu Stoofbrug je hodnocen jako významný posun v rozvoji technologií a už získal řadu ocenění, například STARTS Prize od Evropské komise, Dutch Design Award nebo 3D Printing Challenge Award. Dokončený most bude na své místo osazen při celkové renovaci kanálu, která je naplánována na druhé pololetí roku 2019.
ONDŘEJ MIKA
s využitím podkladů společnosti MX3D
foto archiv společností MX3D (1, 2) a Joris Laarman Lab (5), Olivier de Gruijter (3, 4) Adriaan de Groot (6, 7), Tim Geurtjens (8)
