Jak dużą zmianą dla branży budowlanej jest druk 3D?

Usłyszałem kiedyś takie zdanie, że technologie dzielą się na dwa rodzaje – podtrzymujące oraz niszczące i muszę przyznać, że zgadzam się z  tym poglądem. Technologia podtrzymująca to taka, która wprowadza pewne ulepszenia (np. w wyniku pewnych modyfikacji samochód nie spala 5 litrów paliwa na 100 km, ale 4,9 litra). Natomiast technologia niszcząca całkowicie przekreśla dotychczasowy stan technologiczny. Przykładem jest chociażby zastąpienie powozów konnych przez samochody, które spowodowało destrukcję – można powiedzieć – całego rynku: nie ma już kuźni, stajni, kowali, stangretów. Są za to autostrady, stacje benzynowe itd. I ja na druk 3D spoglądam właśnie kategoriach technologii niszczącej, która może wpłynąć na wiele branż i dziedzin życia.

Do czego postanowił pan wykorzystywać druk 3D?

Jeśli chodzi o  budownictwo, to postanowiłem zająć się zastosowaniem plastiku do drukarki 3D i drukowaniem różnych elementów przestrzennych, których nie da się uzyskać, wykorzystując tradycyjne technologie. Takimi przestrzennymi elementami można np. zbroić beton i uzyskiwać kompozyt, który będzie miał właściwości nieosiągalne przy innym rodzaju zbrojenia. Dzięki temu można tworzyć konstrukcje, które mogą pochłaniać dużo energii przy jednoczesnym dużym odkształceniu. Przykładem jest element, który chroni filar mostu na autostradzie. Wyobraźmy sobie, że sześćdziesięciotonowa ciężarówka jadąca z prędkością 100 km/h uderza w taki filar, który nie ma żadnej ochrony. Wówczas filar zostaje wypchnięty, a most się wali. Ale jeśli znajdowałaby się tam plastikowo-betonowa ściana, to ona pochłonęłaby energię od tego uderzenia – oczywiście uległaby zniszczeniu, ale filar i most stałyby dalej. Stosowanie plastiku w budownictwie pozwala nam całkowicie zmienić myślenie o betonie, który z natury jest kruchy. Dzięki wykorzystaniu plastiku można uzyskać materiał quasi-plastyczny, który np. podczas uderzenia odkształci się, ale będzie trwał.

Czy to rozwiązanie jest bardzo rozpowszechnione? 

Obecnie do zastosowania w budownictwie możemy drukować cztery rzeczy: beton, metal, styropian i plastik. Ja postanowiłem zająć się plastikiem, ponieważ we współczesnym świecie plastik odpadowy stanowi duży problem – nie zawsze wiadomo, co z nim robić, a przeznaczanie go na surowiec do druku 3D może być jakimś antidotum. Poza tym są już prace badawcze, które dowodzą, że taki plastik idealnie nadaje się do tworzenia przestrzennych struktur o skomplikowanej geometrii. Na świecie zajmuje się tym dosłownie kilka zespołów badawczych i śmiem twierdzić, że my wysuwamy się na pierwszą pozycję, ponieważ zajęliśmy się geometrią gyroidów. Jest to bardzo obiecujące połączenie tradycyjnego betonu i nowego myślenia o przestrzennym zbrojeniu betonu.

Czy plastik wykorzystywany w ten sposób ma jakieś wady? 

Z punktu widzenia budowlanego wadą plastiku jest brak jego odporności na wysoką temperaturę, dlatego ja szybko przeszedłem do takich rozwiązań, w których plastik jest zalewany betonem, a więc znajduje się w środku elementu i jest tym samym chroniony przed promieniowaniem ultrafioletowym i warunkami atmosferycznymi, takimi jak opady czy wysoka temperatura. Zadaniem naukowców jest wykorzystywanie zalet i omijanie wad. Jeśli będziemy tak robić, to droga do sukcesu będzie gładka i szeroka.

Jak duża jest to zmiana w myśleniu o budownictwie?

Historia techniki uczy nas tego, że większość wynalazków znajduje później inne zastosowanie niż to, które założył sobie wynalazca. Przykład, który przychodzi mi do głowy, dotyczy tego, jak można wykorzystać paczkomat znanej firmy. Ultrakolarze wysyłają paczki kilkaset kilometrów dalej i jadą rowerem, żeby je odebrać. W takiej paczce znajduje się świeża odzież, w którą się przebierają. Stare ubrania pakują do kolejnej paczki i wysyłają z powrotem. Myślę, że pomysłodawcy paczkomatów nie przeszło nawet przez myśl, że ludzie będą je wykorzystywali w ten sposób. Podobnie twórcy aparatów cyfrowych nie myśleli, że będziemy skanować nimi chociażby kody QR. Zalewanie przestrzennych form plastikowych betonem może się okazać otwarciem drzwi do całkowicie innego zastosowania – nie wiem, czy za pięć, dziesięć czy pięćdziesiąt lat, ale zapewne tak się stanie. Może w budownictwie, może w przemyśle, a może w zupełnie innej dziedzinie.

Jakie są dalsze kierunki prowadzonych przez pana badań? 

Jeśli chodzi o dalsze kierunki moich badań, to są one związane z tym, że jestem członkiem konsorcjum Akademii Górniczo- -Hutniczej oraz Centrum Badań Kosmicznych PAN. Eksplorujemy możliwość druku 3D materiałów do budowy baz księżycowych, chociaż niestety w tym przypadku nie możemy mówić o plastiku, bo tworzywo sztuczne na Księżycu nie znajdzie zastosowania jako materiał konstrukcyjny. Współpracuję w tym zakresie z dr. hab. inż. Mirosławem Bramowiczem, prof. UWM z Wydziału Nauk Technicznych. Rozpoczęliśmy już pewne eksperymenty, które dobrze rokują, ale na razie nie mogę zdradzić więcej szczegółów. Chciałbym również zaznaczyć, że kilka miesięcy temu na Wydziale Geoinżynierii UWM pracę doktorską, pierwszą w dyscyplinie inżynieria lądowa, geodezja i transport, obroniła pani Aneta Skoratko, teraz już dr inż. Była to obrona na podstawie cyklu publikacji, które były całkowicie poświęcone przestrzennym elementom plastikowym zastosowanym do zbrojenia betonu.

Chciałabym się jeszcze zatrzymać przy bazach księżycowych, czyli badaniach, z których jest pan znany społeczności akademickiej UWM i nie tylko. Czy może pan pochwalić się jakimiś nowymi informacjami?

Prowadzone przez nas badania na tyle spodobały się Europejskiej Agencji Kosmicznej, że nasz projekt otrzymał dofinansowanie, dzięki któremu będziemy mogli wziąć udział w tzw. lotach parabolicznych, które w listopadzie tego roku odbędą się w Bordeaux we Francji. Lot paraboliczny wykonuje się specjalnym samolotem, który odlatuje daleko od lądu, gdzieś nad Ocean Atlantycki, i po osiągnięciu wysokości przelotowej (11–12 km nad ziemią) przez 30 sekund gwałtownie spada i w tym czasie następuje symulacja mikrograwitacji. Takich gwałtownych spadków i wzniesień jest podczas jednego lotu od pięciu do sześciu, a nam Europejska Agencja Kosmiczna zasponsorowała cztery dni takich lotów. W trakcie tych 30 sekund będziemy prowadzić eksperymenty. Jeśli potoczą się one tak, jak zakładamy, to znajdziemy się na zupełnie innym poziomie badawczym, bo nasze rozwiązania będą przetestowane w warunkach bardzo zbliżonych do tych, które panują na Księżycu.

Czy pan osobiście będzie brał udział w takich lotach?

Tego jeszcze nie wiem. Na razie staramy się zachęcić trochę młodszych i zarazem zdrowszych pracowników (śmiech). Takie loty stanowią spore wyzwanie dla organizmu, w związku z czym trzeba przejść odpowiednie badania. Jestem już po rozmowach z władzami Wydziału Geoinżynierii i mogę powiedzieć, że na pewno weźmie w nich udział jeden doktorant. Z perspektywy naukowej będzie to dla niego niezwykle ciekawe doświadczenie. Bardzo się cieszymy, że testy materiałów księżycowych, które zaproponowaliśmy do przeprowadzenia w warunkach symulujących niską grawitację, zyskały tak duże zainteresowanie ESA.

Rozmawiała Marta Wiśniewska

Dr hab. inż. Jacek Katzer prof. UWM jest kierownikiem Centrum Inżynierii Lądowej na Wydziale Geoinżynierii UWM. Specjalizuje się w technologii betonu oraz materiałach budowlanych. Przez wiele lat zajmował się fibrobetonami oraz betonami na bazie kruszyw odpadowych. Od ośmiu lat swoje zainteresowania badawcze skupia również na zastosowaniu druku 3D w budownictwie i symulantach gruntów księżycowych oraz na budownictwie księżycowym. Ściśle współpracuje z Centrum Badań Kosmicznych PAN, AGH oraz zagranicznymi zespołami badawczymi z Brno University of Technology (Czechy) i VSBTechnical University of Ostrava (Czechy).

Rozmowa ukazała się w marcowym wydaniu „Wiadomości Uniwersyteckich". „Zmiana” jako temat wydania zainspirowała nas do zapytania naukowców z naszego Uniwersytetu o wpływ, jaki ich badania wywierają na rzeczywistość. Świadomość wyzwań, które przyniesie nam przyszłość, każe przecież już dzisiaj szukać rozwiązań, dzięki którym stawimy im czoła. To m.in. dlatego z uwagą przyglądamy się badaniom, które uwzględniają idee zrównoważonego rozwoju i z radością przypominamy o inauguracji projektu ChallengeEU, którego celem jest nowa jakość szkolnictwa wyższego.

W marcowym wydaniu piszemy też o sukcesach pracowników i studentów oraz ważnych wydarzeniach z życia uczelni.

Wszystkie wydania „Wiadomości Uniwersyteckich" dostępne są na >>> stronie internetowej uczelni