Betooni 3D-printimine Eesti kogemuse näitel

Tsementmaterjalidega 3D-printimise tehnoloogiate arendamisel Eestis on Haragrupp OÜ-l ja Betooni 3D Printimise Juhtgrupil juba viieaastane kogemus. Arendustööd käivad tihedas koostöös nii Tallinna Tehnikakõrgkooli, Tallinna Tehnikaülikooli kui ka Hollandi Eindhoveni Tehnikaülikooliga. Head koostööd tehakse ka kuivsegude tootjate Mira Ehitusmaterjalid OÜ ja Saint-Gobain Eesti, aga ka meie pikkade traditsioonidega tsemenditootja Kunda Nordic Tsemendiga. Arendatakse nii printimissegusid, printimise riistvara (printeri osad, pumbad) kui printimise tarkvara (robotite juhtimiseks erinevatest digitaalsetest mudelist tuleva info alusel).

Peamised plussid 3D-printimisel: arhitektidele avanevad uued, kohati üllatuslikud loomevõimalused, väheneb oluliselt betooni, seega ka tsementse materjali kulu, suur võit on raketiste puudumine (see annab väga suure rahalise kokkuhoiu vahemikus 35–60 protsenti ning kahandab ühtlasi ehitise CO₂ jalajälge), töökeskkond on tunduvalt ohutum ja aeg kavandist teostuseni on märksa lühem.

Kokku on uudsel tehnoloogial palju eeliseid, aga samas ka ridamisi probleeme, millest osa on praeguseks lahendatud, osa aga ootab optimaalseid lahendusi. Peamised kitsaskohad on: õige koostisega printsegu leidmine, printimistehnoloogia kapitalikulude alandamine, prinditavate elementide suuruse-, eriti kõrgusepiirangutest tulenevate kitsenduste kõrvaldamine ning masstootmises kasutatavate armeerimislahenduste leidmine. Lisaks tuleb uudse tootmisviisi puhul välja töötada meetodid, kuidas hinnata selle majanduslikku efektiivsust, ökoloogilist jalajälge ning eriti toote kvaliteedinäitajaid.

Kumbki nimekiri, nii ilmselgete plusside kui ka veel tegelemist vajavate probleemide oma, ei ole kaugeltki lõplik, uuringud ning otsingud jätkuvad.

Ehitusala on olnud väheuuenduslik

Ehitustööstus on üks suuremaid sektoreid maailmas, mille panus maailma SKT-sse on ligi kümnendik, kusjuures sektori produktiivsus tervikuna on viimase 50 aasta jooksul olnud stagnatsioonis. Samas aga on näiteks tootmistööstuses viimase kahekümne aastaga produktiivsus peaaegu kahekordistunud. Teadlaste kinnitusel on ehitussektori hädadeks materjali ja tehnika pikad tarneajad ehitusplatsile, töötajate aeganõudev pendelränne ja puudulik tööplaneering. Uuringud näitavad, et vaid veerand ehitusprojektidest valmib plaanitud ajal ning alla kolmandiku suudab püsida plaanitud eelarve piires. Nii on ehitusalal kasumimarginaalid madalad, see omakorda aeglustab valdkonnas innovatsiooni.

Innovatsiooni pidurdavad puudujäägid ehituskultuuris, riskikartlikkus, samuti aga ka uute tehnoloogiate rakendamise keerukus sektoris. Uusi tehnoloogiaid uuriva McKinsley instituudi võrdluse järgi kuulub ehitussektor koos jahindusega ühe vähim digitaliseeritud majandusharu hulka. Vaatama sellele on ehitusalal automatiseerimise, mudelprojekteerimise ja digitaliseerimise taustal näha suurt potentsiaali, mida püütakse üha rohkem praktikasse viia. Siinkohal on paslik mainida neljandat tööstusrevolutsiooni, mille osana nähakse ka digitaalseid tootmistehnoloogiaid, sealhulgas 3D-betooniprintimist.

Ehitussektoril on ka väga suur ökoloogiline jalajälg, eriti betoonitööstuse puhul. Betooni põhikomponendil portlandtsemendil on selles määrav roll. Tsemendi tootmisel emiteeritakse 700–900 kg CO₂ tonni tsemendiklinkri kohta, see moodustab ligi kolm protsenti ülemaailmsest CO₂ emissioonist. Teine betoonitööstusest tulenev keskkonda puudutav tegur on vormipargi valmistamise ning hilisema utiliseerimise käigus tekkiv mõju. Hinnanguliselt moodustab raketiste maksumus ligi poole valmistatava betoontoote maksumusest, eriti kui on tegu in situ ehk kohapeal vormitava betooniga.

Seega on nii tehnoloogilise revolutsiooni kui ka käimasoleva rohepöörde seisukohalt betooni 3D-printimise viimine igapäevasesse ehitustegevusse kogu maailmamajandust mõjutav samm.

Innovatsiooni pikk hoovõtt

Laiemalt on 3D-printimisega edukalt tegeletud väga erinevates valdkondades: alates lennukiehitusest, laevandusest ning lõpetades meditsiiniga. Maailma mastaabis alustati betooni 3D-printimisega 1998. aastal, kui USA teadlane ning ettevõtja Behrokh Khoshnevis leiutas esimese betooniprinteri. 3D-printimise tehnoloogia põhineb digitaalselt kavandatud detailist reaalse tooteni jõudmisel, laotades materjali kihtide kaupa üksteise peale printeri pea liikumisel mööda etteantud trajektoori ning fikseeritud tõusu pärast kihi laotamist. Selline meetod annab suured võimalused prinditava detaili kuju valikul ja on eriti hästi ennast õigustanud kiirel prototüüpimisel.

Betooni printimise tehnoloogias võib täna leida mitmeid eri põhimõtetel rajanevaid printimissüsteeme, kuid valdavalt kasutatakse raamprintereid (Gantry system – ingl k) ning robotkäe (Robotic arm) süsteeme. Viimase paarikümne aasta jooksul on mitmel pool maailmas prinditud hulgaliselt näidisobjekte (kokku üle 200), mis on heaks teetähiseks 3D-printimise potentsiaali demonstreerimisel. Neist umbes pooled on hooned, ligikaudu kolmandik aga infrastruktuuri objektid. Näidisobjektidest on enim võitnud tähelepanu Milestone’i elamu projekt Eindhovenis ja 29 meetrit pikk jalakäijate sild Nijmegenis (mõlemad Hollandis).

Printsegu on keeruline, printer samuti

Tallinna Tehnikakõrgkooli ehituslaboris, kus on läbi viidud suur hulk uurimusi-katsetusi, on kasutusel Gantry-tüüpi betooniprinter töötsooniga 1,5 x 2,5 m. Segu valmistatakse sundtoimega 100 l segistis ning toimetatakse seejärel tigupumbast läbi 11 m pikkuse survevooliku printerisse, kus toimub printimine. Printimiseks kasutatakse erineva läbimõõduga otsikuid, kuid enamasti on kasutusel 32 mm läbimõõduga otsik, millega tekitatav printjälg on ca 35–45 mm lai. Prinditava kihi paksust saab reguleerida piirides 10–20 mm. Printerit juhitakse selle kontrolleri poolt juhitud programmiga (nn G-kood).

Printimise laitmatu tulemuse jaoks on vajalik, et kasutatav segu oleks ühtaegu piisavalt voolav pumpamise ajal ja samas printidult kohe kujuhoidev – need on üsna vastandlikud nõuded. Lisaks peab saavutama printeri pumba võimalikult ühtlase tootlikkuse. Ning mis samuti väga oluline – prinditud tulemus peab olema ühtlaste mõõtmetega ning ka silmale kvaliteetne vaadata.

Niisiis, värske printimissegu parameetrid, mida tuleb jälgida ja järgida:

1. Segu voolavus voolikus (flowability – ingl k), mis sõltub segu plastilisest viskoossusest, nihkepingest ning materjali staatilisest ja dünaamilisest voolavuspiirist. Segu voolavuse hindamiseks sobib hästi standardikohane Hägermanni koonuse laialivalguvus raputuslaual EN-1015-3 metoodika järgi, mis uuritud segude puhul jäi vahemikku 135–145 mm pärast 15 lööki raputuslaual.
2. Segu paigaldatavus printjälje moodustamisel läbi otsiku (extrudability), mis sõltub eelkõige otsiku suurusest ja kujust, materjali voolukiirusest ning printpea liikumise kiirusest. Materjali voolukiirus voolikus peaks olema võrdne või suurem printimiskiirusest, et tagada järjepidev printjälje moodustumine. Kasutatava printeri puhul oli pumba tootlikkus 6 l/min ja kiirus 9000 mm/min. Printjälje parameetrid – laius (b) ja paksus (h) sellisel režiimil olid vastavalt 40–45 mm ja 10–15 mm.
3. Segu printimiseks sobiva konsistentsi säilimise aeg alates segu tootmisest (open time), mille jooksul saab segu nõutava kvaliteediga printida, et printjälg oleks ühtlaselt laotunud ega tekiks pragusid. See parameeter on oluline printimise tsükli ja -kestuse määramisel.
4. Kujundi ehitatavus (buildability) iseloomustab nii alumiste kihtide vastupanuvõimet lisanduvate kihtide tõttu järjest suurenevale koormusele (plastic collapse), kui prinditava kujundi stabiilsust selle kõrguse suurenedes (elastic buckling). Esimese puhul on põhiliseks määravaks suuruseks segu varajane tugevus (green strength), teise puhul aga prinditud kujundi geomeetriast sõltuv stabiilsus, aga ka segu elastsusmoodul.

Eksperimentaalsed printsegud

Kvaliteetse prindi eelduseks on õige segu. Sobiva koostise otsingul katsetati tööstuslikest segudest Weber Saint Gobaini eriotstarbelisi segusid, sealhulgas printimiseks Hollandis toodetud spetsiaalset printsegu Weber Beamix 145-2 ning Haragrupi ja Mira Ehitusmaterjalid OÜ koostöös loodud eksperimentaalset printsegu.

Eksperimentaalsegude koostises on põhisideaineks Kunda CEM I 42,5 R, täitematerjalina kasutas uurimisgrupp EMG Kuiv Liiv OÜ kahte fraktsiooni (0–0,5 mm ja 0,5–1,2 mm). Tsemendi osalise asendajana sideaines kasutati Rakke lubjatehase jahvatatud lubjakivifilleri R0 (LP, tera suurusega alla 40 μm). See aitab ühtlasi täita eesmärki vähendada suure CO₂ jalajäljega portlandtsemendi osakaalu betoonitööstuses.

Samal otstarbel ja sama eesmärgi nimel kasutati Kunda Nordic Tsemendis proovipartiina valmistatud kaltsineeritud savi ja peenjahvatatud Islandi vulkaanilise tuha lisandeid, mida on tulevikus plaanis kasutada uudsetes keskkonnasõbralikes tsementides niinimetatud tsemendi asendusmaterjalidena (supplementary cementitious materials, SCM).

Uued lisandid, uued omadused

Printimiseks sobiva segu saavutamiseks kasutati tavaliselt betooni kuivsegudes tuntud erineva funktsiooniga keemilisi lisandeid. Segu voolavuse parandamiseks lisati superplastifikaatorit, kujupüsivuse saavutamiseks tselluloosi baasil valmistatud viskoossuse modifikaatorit (viscosity modifying admixture, VMA), kivinemisel pragude tekke vältimiseks ja tõmbetugevuse parandamiseks lisati polüpropüleenfiibrit. Segule varajase tugevuse andmiseks kasutati kaltsium-formiaadi tüüpi kivinemise kiirendajat.

Võrreldes spetsiaalsete tööstuslike 3D-printimiseks ettenähtud segudega, Eesti uurimisrühma katsete ühe osana kasutatud Hollandist tarnitud Weber Beamix 3D 145-2 printseguga, näitasid Mira Ehitusmaterjalid OÜtootmisliinil valmistatud eksperimentaalsed SCM lisanditega printsegud võrreldavaid või kohati isegi paremaid tulemusi. SCM lisandiga segud olid plastsemad ja paremini laotuvad. Printjälje kvaliteet oli parem ja jälje pealispind siledam, isegi natuke läikiv.

Peenjahvatatud mineraalsete lisandite kasutamine printsegude sideainetes annab lisaks tsemendi osakaalu vähendamisele sellele ka uued spetsiifilised omadused. Tsemendi osakestega võrreldavad või isegi peenemad osakesed mõjuvad nii segu tiksotroopiat (segamisel voolavamaks muutumine) mõjutava fillerina kui segu tahenemist soodustavate flokulatsiooni ehk kivinemisproduktide tekkimise keskustena. Printimise seisukohalt kõige olulisem on just viimane. Vähetähtis ei ole ka toime putsolaanse lisandina tsemendikivi moodustumisel, seda aga ainult kaltsineeritud savi ja vulkaanilise tuha puhul.

Esimene Eesti 3D-ehitis

Erinevate segukoostiste katsetamise tulemusena valmis läinud sügisel esimene prinditud elementidest monteeritud hoone – paviljon Tallinna Tehnikakõrgkooli õuel. Selle printsegu sideainena kasutati tsemendi asendajana kokku 50% ulatuses lubjakivifilleri ja vulkaanilise tuha kombinatsiooni.

Kõikide hoone elementide printimisele kulus ühtekokku üheksa tundi, sealjuures võib esile tuua, et ühe topeltelemendi printimiseks kulus alla ühe tunni. Nii Tallinna Tehnikakõrgkoolis kui laiemalt maailmas tänaseks saadud kogemuste baasil saab väita, et 3D-prinditud betoontoodetel on koht tuleviku rohesõbralikus ja innovaatilises ehitussektoris kindlalt olemas.