CZ38935U1

CZ38935U1 - Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk

Info

Publication number: CZ38935U1
Application number: CZ2025-43349U
Authority: CZ
Inventors: Pavlína Hájková; Hájková Pavlína doc. Ing., Ph.D.
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2025-10-20
Filing date: 2025-10-20
Publication date: 2025-11-07

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. č. 478/1992 Sb.

Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk

Oblast techniky

Technické řešení se týká bezcementové směsi pro velkoformátový 3D tisk, obsahující pojivo a plnivo, přičemž pojivo sestává z pevné složky a kapalné složky, kde pevná složka obsahuje alespoň surovinu obsahující metakaolinit a surovinu obsahující amorfní oxid křemičitý, a kapalná složka obsahuje alkalický aktivátor.

Dosavadní stav techniky

Aditivní výroba, běžně známá jako 3D tisk, rychle transformuje stavební sektor tím, že umožňuje výrobu trojrozměrných objektů postupným nanášením vrstev materiálu. Aditivní výroba nabízí značné výhody oproti konvenčním stavebním metodám. Patří mezi ně výrazně zvýšená rychlost výstavby, snížené náklady na práci a významné snížení tvorby odpadu. Kromě toho 3D tisk usnadňuje vytváření složitých a rozmanitých architektonických geometrií, kterých je tradičními technikami často nepraktické nebo nemožné dosáhnout. 3D tisk v architektuře otevírá nové možnosti designu a zároveň se snižují bezpečnostní rizika spojená s manuální prací. Tato technologie rovněž minimalizuje potřebu bednění a transportu prefabrikovaných dílů, což dále přispívá k efektivitě a snižování nákladů.

Pro velkoformátový 3D tisk v architektuře se obvykle používá cementových směsí, takzvaných 3D betonů. Betony pro 3D tisk obvykle sestávají z cementového pojiva, písku jako plniva a dalších aditiv zvláště plastifikátorů a urychlovačů tuhnutí. Cement je v současné době z ekologického hlediska velmi nevhodný pro vysoké emise CO2. Další nevýhodou cementových směsí je dále jejich světle až tmavě šedá barva, která omezuje jejich použití v architektuře.

Pro 3D tisk lze také použít směsí na bázi geopolymerů, resp. alkalicky aktivovaných aluminosilikátů. Tyto materiály obvykle sestávají z pojiva tvořícího matrici a z plniva, které má vyztužující funkci. Pojivo obvykle sestává z alkalické kapalné složky a pevné složky na bázi metakaolinitu, a další pevné složky obsahující vápník. Pro výrobu pojiva se mohou využít také odpadní materiály z vysokoteplotních procesů zahrnující například popílek či strusku. Plniva pro geopolymerní směsi pro 3D tisk obvykle zahrnují inertní materiály jako křemičitý písek a vlákna, korund, šamot a perlit. Geopolymerní směsi pro 3D tisk jsou obvykle světle až tmavě šedé barvy. Klíčovou výhodou geopolymerů je jejich výrazně nižší ekologická stopa; výrobní procesy generují až o 80 % méně emisí CO2 ve srovnání s tradiční výrobou cementu. Geopolymery pro 3D tisk však obvykle stále obsahují vápenatou složku z důvodu rychlosti tuhnutí. Kromě environmentálních přínosů vykazují geopolymery vyšší mechanické vlastnosti, vysokou chemickou odolnost a odolnosti proti ohni.

V rámci principu udržitelného rozvoje je pro snižování ekologické stopy stavebnictví důležitá recyklace používaných materiálů po jejich konci životnosti. Využití recyklovaných stavebních materiálů se však dosud využívá v malé míře. Použití cihelného odpadu pro další stavební materiály není běžné pro jeho velmi malé částice, které při nevhodné kompozici ve vyšším množství snižují pevnost v tlaku. Pro výpal cihel je třeba velké množství energie, proto druhotné využití cihelného odpadu hraje významnou roli pro udržitelné stavebnictví.

Nevýhodou dosavadních běžně popisovaných směsí pro 3D tisk v architektuře je především použití cementů a velmi malé využití odpadů ze stavebních materiálů jako inertních plniv a světle či tmavě šedá barva.

- 1 CZ 38935 U1

Dvousložkové geopolymerní pojivo, které lze zahrnout do alkalicky aktivovaných směsí, popsané v patentu CZ 307154 B6, je vhodné pro výrobu plastických geopolymerů určených pro tváření, například lisování, vytlačování, válcování, 3D tisk, obtisky či ruční tvarování a pro tvorbu uměleckých děl. Podstatou patentu je využití montmorillonitu pro jeho plastické vlastnosti po smísení s vodou. Nevýhodou patentu je, že nezahrnuje použití žádného odpadu ze stavebního průmyslu. Další nevýhodou je jeho okrové až šedé zabarvení vlivem obsahu montmorillonitu a dalších složek.

Užitný vzor CZ 35798 U1 popisuje alkalicky aktivovanou aluminosilikátovou směs pro 3D tisk, charakterizovanou tím, že obsahuje alespoň pojivo, které kromě alkalického aktivátoru obsahuje i surovinu obsahující metakaolinit, surovinu obsahující amorfní oxid křemičitý a surovinu obsahující vápník a jehož molární poměr složek je: SiO2 : AhO3 = 4 až 12 : 1; CaO : ALO3 = 0,2 až 3,5 : 1; Me2O : AhO3 = 0,6 až 1,7 : 1; Me2O : SiO2 = 0,05 až 0,2 : 1; a SiO2 : H2O = 0,3 až 1 : 1, přičemž Me je kov vybraný ze skupiny zahrnující K a Na. Dále může obsahovat plnivo ze skupiny zahrnující křemičitý písek, vlákna, korund, šamot nebo perlit. Nevýhodou užitného vzoru je, že pojivo obsahuje vápenatou složku a plnivo nezahrnuje použití žádného odpadu ze stavebního průmyslu. Výrobek je šedý.

Patent CN 106587780 A popisuje způsob přípravy aluminosilikátového kompozitního materiálu pro 3D tisk. Materiál se skládá z 10 % až 25 % hmotn. silikátového prášku, 10 % až 25 % hmotn. aluminosilikátového prášku, 0,1 % až 20 % hmotn. sekaných vláken, 0,1 % až 0,5 % hmotn. superplastifikátoru, 0,1 % až 0,5 % hmotn. retardéru a vody. Nevýhodou tohoto vynálezu je, že obsahuje práškové křemičitany, které jsou velmi dráždivé. Podstatnou nevýhodou je, že nezahrnuje použití žádného odpadu ze stavebního průmyslu a výrobek má šedou barvu.

Patent CN 106800391 A popisuje kompozitní materiál na bázi cementu pro 3D tisk. Materiál se připravuje z následujících složek v hmotnostních dílech: 1 díl cementu, 0 až 5 dílů písku, 0 až 5 dílů minerální příměsi, 0 až 0,2 dílu nadouvadla, 0 až 0,2 dílu tužidla, 0 až 0,2 dílu minerálního pigmentu, 0,1 až 0,5 dílu vody, 0 až 0,25 dílu polymerní emulze, 0,001 až 0,05 dílu aditiva a 0 až 0,03 dílu vláken. Jeho hlavní nevýhodou je, že se jedná o šedou cementovou směs s vysokými emisemi CO2 a to, že nezahrnuje možnost použití odpadu ze stavebního průmyslu.

V patentu US 5601643 A je popsán cement na bázi elektrárenského popílku. Toto pojivo sestává z popílku a 2 až 20 % alkalického křemičitanu s poměrem SiO2:Na2O v rozmezí 0,2 až 0,75 : 1. Tento cement je vhodný jako pojivo především pro přípravu kaší, malt a betonů. Nevýhodou je, že k výrobě finálního výrobku z tohoto cementu je nutno použít formy, která udrží jeho tvar, dokud materiál neztuhne. Tento cement tudíž není vhodný pro technologii 3D tisku.

Patent EP 3168203 A1 popisuje geopolymerní pojivo pro aditivní výrobu průmyslových předmětů. Klíčový je způsob 3D tisku metodou lože se suchou směsí a programovatelných tenkých trysek. Nevýhodou je, že směs není vhodná pro 3D tisk velkých stavebních objektů pomocí ramenného 3D robota či portálové tiskárny. Tento patent také neřeší využití odpadních materiálů.

Použití stavebního recyklátu k výrobě stavební směsi pro zdění, omítání, opravy a 3D tisk staveb popisuje užitný vzor CZ 38009 U1, podle něhož směs obsahuje alespoň 1200 až 1400 kg recyklátu frakce do 4 mm, kde recyklátem je drcená směs z cihel a/nebo malty a/nebo omítky a/nebo betonu, přičemž dále obsahuje 145 až 450 kg portlandského cementu a 290 až 400 l záměsové vody. Nevýhodou tohoto řešení nutnost použití cementu, který, jak bylo výše popsáno, je v současné době z ekologického hlediska velmi nevhodný pro vysoké emise CO2.

Patent CZ 309133 B6 popisuje beton a způsob přípravy betonu s náhradou co největší části kameniva a případně i jiných složek recyklátem vytvořeným mletím nebo drcením inertního stavebního demoličního odpadu, který může obsahovat cihelný recyklát. Navíc popisuje použití jemně mletého cihelného recyklátu, kterým se rozumí jemný prach z broušení cihel a z cihlářských pecí s velikostí částic 5 až 250 μm, s výhodou 5 až 10 μm a s měrným povrchem

- 2 CZ 38935 U1

300 až 1500 m²/kg. Stejně jako u předcházejícího řešení je nevýhodou použití cementu, který je v současné době z ekologického hlediska velmi nevhodný pro vysoké emise CO2.

Cílem technického řešení je vytvořit bezcementovou směs pro velkoformátový 3D tisk, která bude vhodná zejména pro architektonická díla, přičemž nebude obsahovat cement ani složky s vysokým obsahem vápníku, ale bude obsahovat odpadní materiály, zejména odpadní drcenou nebo mletou cihlu, popřípadě jemně mletý cihelný recyklát, kterým se rozumí jemný prach z broušení cihel a z cihlářských pecí s velikostí částic 5 až 250 μm, s výhodou 5 až 10 μm a s měrným povrchem 300 až 1500 m²/kg.

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení je dosaženo bezcementovou směsí pro velkoformátový 3D tisk, obsahující pojivo a plnivo, přičemž podstata směsi spočívá v tom, že pojivo obsahuje 17 až 23 % hmotn. suroviny obsahující metakaolinit, 40 až 60 % hmotn. suroviny obsahující amorfní oxid křemičitý a 23 až 37 % hmotn. alkalického aktivátoru, přičemž směs dále obsahuje plnivo, obsahující cihelný recyklát v poměru 40 až 60 % hmotn. pojiva.

Výhodou předkládaného technického řešení je, že neobsahuje cement ani složky s vysokým obsahem vápníku, a představuje tedy ekologicky vhodné řešení pro velkoformátový 3D tisk zejména pro architektonická díla, neboť v důsledku přídavku cihelného recyklátu, má výsledný výrobek jinou barvu než šedou, jako výrobky z betonu, tedy barvu hnědočervenou odpovídající přirozenému terakotovému vzhledu.

Ve výhodném provedení obsahuje cihelný recyklát odpadní mletou nebo drcenou cihlu, přičemž má střední velikost zrna D50 300 μm.

Dále je výhodné, když cihelný recyklát obsahuje jemně mletý cihelný recyklát, kterým se rozumí jemný prach z broušení cihel a z cihlářských pecí s velikostí částic 5 až 250 μm a s měrným povrchem 300 až 1500 m²/kg, přičemž v nejvýhodnějším provedení je velikost částic 5 až 10 μm.

Toto technické řešení synergicky propojuje aditivní výrobu z bezcementových směsí s cihelným odpadem tak, aby materiál splňoval vhodné reologické vlastnosti, dobu tuhnutí a abrazivitu ve stavu čerstvém a estetické i mechanické vlastnosti ve stavu tuhém, a byl tedy vhodný pro velkoformátový 3D tisk zejména architektonických, nebo jiných uměleckých děl.

Ve výhodném provedení je surovinou obsahující metakaolinit kaolín kalcinovaný při teplotě 600 až 900 °C. Amorfním oxidem křemičitým je přitom alespoň jedna látka zvolená ze skupiny zahrnující mikrosiliku a termální mikrosiliku, která obsahuje alespoň 85 % hmotn. oxidu křemičitého se sférickými částicemi, z nichž alespoň 90 % je menších než 2 μm. Výhodným alkalickým aktivátorem je přitom draselné vodní sklo se silikátovým modulem 1,6.

Molární poměry složek v pojivu jsou u předkládaného technického řešení: SiO2 : AťO.; = 10 až 17 : 1; CaO : AťOl·. = 0,0 až 0,1 : 1; Me2O : SiO2 = 0,05 až 0,08 : 1; a SiO2 : H2O = 0,7 až 1,5 : 1, přičemž Me je kov vybraný ze skupiny zahrnující K a Na.

Příklady uskutečnění technického řešení

Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk neobsahuje cement ani další složku obsahující vyšší obsah vápníku a má vhodné reologické vlastnosti, které umožní její dopravu do tiskové hlavy 3D tiskárny. Pro dosažení cíle technického řešení obsahuje směs stavební odpad tvořený cihelným recyklátem, jehož barva dodává výsledným výrobkům nezaměnitelný vzhled. Složení zajišťuje při 3D tisku dostatečnou počáteční pevnost, aby jednotlivé vrstvy, vytisknuté 3D tiskem, držely

- 3 CZ 38935 U1 potřebný tvar a unesly další, na ně položené vrstvy téže směsi, také vytisknuté 3D tiskem. Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk musí tuhnout dostatečně pomalu, aby netuhla v dopravním systému k tiskové hlavě, a zároveň dostatečně rychle, aby včas tuhly spodní vrstvy, které tvoří nosnou základnu pro další vrstvy. Zároveň je nutné propojení jednotlivých na sebe pokládaných vrstev směsi při velkoformátovém 3D tisku, a proto nesmí spodní vrstva úplně zatuhnut dříve, než je na ní nanesena další vrstva.

Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk podle předkládaného technického řešení obsahuje odpadní suroviny jako cihelný recyklát a termální siliku, neobsahuje další složku s vysokým obsahem vápníku a je vhodná pro 3D tisk architektonických děl, přičemž ji lze v surovém stavu zpracovávat technologií 3D tisku pomocí portálového nebo ramenného tisku s využitím běžných stavebních dopravních systémů čerpadel a hadic.

Po vytištění metodou 3D tisku se výrobek nechá vyzrát při běžné teplotě, při které zraje výrobek do konečné pevnosti 28 dnů, přičemž po vyzrání má pevnost v tahu ohybem více než 15 MPa a pevnost v tlaku více než 80 MPa.

Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk podle předkládaného technického řešení neobsahuje cement ani organické látky a nemusí obsahovat vlákna jako plnivo, přičemž má přirozený terakotový vzhled a tuhne při teplotě od 15 °C.

K ověření proveditelnosti a vlastností bezcementové směsi pro velkoformátový 3D tisk podle předkládaného technického řešení provedl přihlašovatel množství pokusů, z nichž níže popisujeme dva charakteristické příklady.

Příklad 1

- Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk pro tvarově složitá architektonická díla

Dvousložkové alkalicky aktivované aluminosilikátové pojivo jako jedna složka bezcementové směsi pro velkoformátový 3D tisk pro tvarově složitá architektonická díla obsahuje 17 % hmotn. suroviny obsahující metakaolinit, kterou je kalcinovaný kaolin, 60 % hmotn. suroviny obsahující amorfní oxid křemičitý, kterou je termální silika a 23 % hmotn. alkalického aktivátoru, kterým je draselné vodní sklo se silikátovým modulem 1,6.

Ve dvousložkovém alkalicky aktivovaném aluminosilikátovém pojivu jsou molární poměry složek následující:

SiO2 : Al2O3 = 16,2 : 1; CaO : Ai.-Ol· = 0,07 : 1; K2O : SiO2 = 0,05 : 1; a SiO2 : H2O = 1,4: 1.

Pojivo je připravováno v mísiči mísením po dobu minimálně 15 minut.

Po vymísení pojiva se přidá plnivo tvořící další složku bezcementové směsi pro velkoformátový 3D tisk, přičemž plnivem je drcená odpadní cihla se střední velikostí zrna D50 300 μm. Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk obsahuje pojivo a odpadní drcenou cihlu v hmotnostním poměru pojivo : cihla = 1 : 0,4.

Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk je připravována přidáním výše uvedeného plniva do pojiva a dalším mísením po dobu 5 minut.

Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk je určena pro tvarově složitá architektonická díla, má vysokou plastičnost a adhezi jednotlivých vrstev.

- 4 CZ 38935 U1

Příklad 2

- Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk v architektuře pro nižší a jednodušší tvary

Dvousložkové alkalicky aktivované aluminosilikátové pojivo jako jedna složka bezcementové směsi pro velkoformátový 3D tisk pro nižší a jednodušší tvary obsahuje 23 % hmotn. suroviny obsahující metakaolinit, kterou je kalcinovaný kaolin, 40 % hmotn. suroviny obsahující amorfní oxid křemičitý, kterou je termální silika a 37 % hmotn. alkalického aktivátoru, kterým je draselné vodní sklo se silikátovým modulem 1,6.

SiO2 : Al2O3 = 10 : 1; CaO : AkOk = 0,04 : 1; K2O : SiO2 = 0,08 : 1; a SiO2 : H2O = 0,7: 1.

Pojivo je připravováno v mísiči mísením po dobu 5 minut.

Plnivem jako druhou složkou bezcementové směsi pro velkoformátový 3D tisk je mletá odpadní cihla se střední velikostí zrna D50 200 μm. Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk obsahuje pojivo a odpadní mletou cihlu v hmotnostním poměru pojivo : cihla = 1 : 0,6.

Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk je připravována přidáním plniva do pojiva a dalším mísením po dobu 3 minut.

Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk pro nižší a jednodušší tvary má vysoký podíl odpadní mleté cihly a krátkou dobu přípravy směsi.

Přihlašovatel vytvořil množství příkladů bezcementové směsi s použitím různých druhů cihelných recyklátů, například s cihelným recyklátem obsahujícím jemně mletý cihelný recyklát, který byl jemný prach z broušení cihel a z cihlářských pecí s velikostí částic 5 až 250 μm a s měrným povrchem 300 až 1500 m²/kg, přičemž velmi dobrých výsledků bylo dosaženo při velikosti částic 5 až 10 μm.

Průmyslová využitelnost

Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk podle předkládaného technického řešení je průmyslově využitelná pro vytváření uměleckých a architektonických děl s ohledem na snížení emisí CO2.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Bezcementová směs pro velkoformátový 3D tisk, obsahující pojivo a plnivo, přičemž pojivo sestává z pevné složky a kapalné složky, kde pevná složka obsahuje alespoň surovinu obsahující metakaolinit a surovinu obsahující amorfní oxid křemičitý, a kapalná složka obsahuje alkalický aktivátor, vyznačující se tím, že pojivo obsahuje 17 až 23 % hmotn. suroviny obsahující metakaolinit; 40 až 60 % hmotn. suroviny obsahující amorfní oxid křemičitý; a 23 až 37 % hmotn. alkalického aktivátoru, přičemž směs dále obsahuje plnivo obsahující cihelný recyklát v poměru 40 až 60 % hmotn. pojiva.
2. Bezcementová směs podle nároku 1, vyznačující se tím, že cihelný recyklát obsahuje odpadní mletou nebo drcenou cihlu, přičemž má střední velikost zrna D50 200 až 300 μm.
3. Bezcementová směs podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že cihelný recyklát obsahuje jemně mletý cihelný recyklát, kterým se rozumí jemný prach z broušení cihel a z cihlářských pecí s velikostí částic 5 až 250 μm a s měrným povrchem 300 až 1500 m²/kg.
4. Bezcementová směs podle nároku 3, vyznačující se tím, že cihelný recyklát má velikost částic 5 až 10 μm.
5. Bezcementová směs podle libovolného z předcházejících nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že surovinou obsahující metakaolinit je kaolin kalcinovaný při teplotě 600 až 900 °C.
6. Bezcementová směs podle libovolného z předcházejících nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že surovinou obsahující amorfní oxid křemičitý je alespoň jedna látka, vybraná ze skupiny zahrnující mikrosiliku a termální mikrosiliku, která obsahuje alespoň 85 % hmotn. oxidu křemičitého se sférickými částicemi, z nichž alespoň 90 % je menších než 2 μm.
7. Bezcementová směs podle libovolného z předcházejících nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že alkalickým aktivátorem je tekuté draselné vodní sklo se silikátovým modulem 1,6.
8. Bezcementová směs podle libovolného z předcházejících nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že molární poměry složek v pojivu jsou

SiO2 : Al2O3 = 10 až 17 : 1;

CaO : Al2O3 = 0,0 až 0,1 : 1;

Me2O : SiO2 = 0,05 až 0,08 : 1; a

SiO2 : H2O = 0,7 až 1,5 : 1, přičemž Me je kov vybraný ze skupiny zahrnující K a Na.