Uudenlaiset 3D-muottitekniikat ovat viime aikoina nousseet esille betonin valmistuksessa. Esimerkiksi vuoden 2017 betonirakenne Kruunuvuorenrannan koonta-asema Helsingissä on hieno esimerkki 3D-muottitekniikoiden mahdollisuuksista. (http://betoni.com/tapahtumat-ja-koulutukset/vuoden-betonirakenne/vuosi-2017/)
Kuva 1: Koonta-aseman betoniseinän kuviot. Kuvaaja: Timo Kiukkola, kuvalähde: http://betoni.com/medialle/kuvapankki/betonipaivat-ja-nayttely/vuoden-betonirakenne/2017-kruunuvuorenrannan-koonta-asema/
3D-tulostus on yksi 3D-muottien valmistusmenetelmistä, jolla voidaan valmistaa muotteja esim. muovista, hiekasta tai vahasta. Erityisesti Saksassa on testattu paljon 3D-tulostettuja hiekkamuotteja betonivaluissa. Saksalainen 3D-tulostusyritys Voxeljet valmistaa hiekasta 3D-tulostavia teolliseen valmistukseen suunniteltuja 3D-tulostimia. Suurin Voxeljetin hiekkatulostin VX4000 on tulostusalueeltaan jopa 4m x 2m x 1m. Suomessa hiekkatulostuksiin on erikoistunut Hetitec Oy, joka on myös Voxeljet AG:n virallinen yhteistyökumppani. Voxeljetin hiekkatulostimilla voidaan tehdä hyvinkin tarkkoja ja vapaa muotoisia hiekkamuotteja. Hiekkamuotit voivat olla kestomuotteja tai kertakäyttöisiä. Hartsikäsittelyn avulla hiekkamuotit saadaan kestämään useita käyttökertoja, jolloin muotti kestää purkamista, vaikka sorkkaraudalla. Kertakäyttöisillä muoteilla voidaan kuitenkin tehdä täysin vapaita muotoja, jolloin muotti puretaan hajottamalla tai vedellä pesemällä.
Kuva 2: 3D-tulosten hiekkamuotin etuna on muotoilun vapaus. Lähde: Voxeljet AG, Friedberg
3D-muotteja voidaan valmistaa myös vahasta. Vahamuotteja on käytetty Lontoon metrohankkeessa vuonna 2016. FreeFab valmistaa vahamuotteja ensiksi 3D-tulostamalla ja sen jälkeen pinta vielä 3D-jyrsitään tarkaksi. Vahamuotti irrotetaan betonista hajottamalla ja sulattamalla, jonka jälkeen vaha on uudelleen käytettävissä seuraavassa muotissa. Vahamuotin etuna on sen helppo purkaminen, vahan uudelleen käytettävyys ja vähäinen materiaalihukka.
Kuva 3: FreeFAB vahamuotin valmistus ja käyttö. Lähde: http://www.freefab.com/
Betonin valmistuksessa on tullut viime vuosina useita muita innovaatioita, jotka voisivat mahdollistaa betonirakenteiden uudenlaisen muotoilun. Näistä ehkä eniten huomiota herättänyt on betonin 3D-tulostus, jossa on kuitenkin omat ongelmat ja haasteet. 3D-tulostetun betonin laatu ja kestävyys eivät ole vielä tällä hetkellä riittävän hyviä, jotta betonin 3D-tulostusta voitaisiin käyttää rakentamisessa. Betonin 3D-tulostus vaatii vielä materiaalien ja tekniikan kehitystä sekä testausta, jotta tulostetut rakenteet täyttävät vaaditut rakennusmääräykset.
3D-tulostettujen muottien hyvänä puolena on se, että niissä voidaan käyttää haluttua betonilaatua sekä perinteistä valuprosessia, jolloin betonin ominaisuudet jo tunnetaan. Perinteinen betonin valmistusprosessi ei siis muutu, vaan 3D-tulostaminen tuo valutekniikkaan uusia mahdollisuuksia. 3D-tulostamisen hyötynä ovat monimuotoisemmat pinnat, joita on vaikea perinteisillä menetelmillä valmistaa, kuten:
• kaksoiskaarevat pinnat
• 3D-pinnat ja -kuviot
• logot ja tekstit koho- tai uppokuvioina
3D-tulostamista kannattaa usein yhdistää osaksi perinteistä muottitekniikkaa. Muottien tukirakenteet sekä suorat ja tasaiset muotin kohdat kannattaa edelleen valmistaa perinteisin muottitekniikoin esim. vanerimuotteina. 3D-tulostaa kannattaa vain ne osat, jotka ovat muuten vaikeita valmistaa ja yhdistää ne 3D-tulostetut osat perinteisiin muotteihin.
Savonian LIVA-hankkeessa on tutkittu 3D-tulostettujen muottien valmistusta ja niiden toimivuutta betonivalussa. Kokeiluissa on käytetty Savonian muovia pursottavia 3D-tulostimia ja valmistettu muovisia muotteja ja muotinosia. Pienien prototyyppien valmistukseen on käytetty useita pienen kokoluokan 3D-tulostimia. Suuremmat täysikokoiset muotit on valmistettu German RepRap x1000 3D-tulostimella, missä on Savonian 3D-tulostimista suurin tulostusalue, 1m*0,8m*0,6m. Vaikka tulostusalue on melko iso, tulostusaika on kuitenkin isoissa tulostuksissa muovia pursottavalla 3D-tulostimella pitkä.
Kuva 4: Savonian 3D-tulostettu muovimuotti kokeilu.
3D-tulostettujen muovimuottien valmistaminen pursotusmenetelmällä vaatii suunnittelussa useita huomioitavia asioita. Ensimmäisenä on luonnollisesti valmistusmenetelmän mahdollisuudet ja rajoitteet – erityisesti tulostussuunta ja tukimateriaalitarve tulee ottaa huomioon muottien ja kappaleen muotojen suunnittelussa. Toinen olennainen asia on muotin purettavuus ja irrotussuunta. Nämä tekijät vaikuttavat myös kappaleen muotoiluun ja rajoittavat muotoilun mahdollisuuksia. Muovimuotteihin täytyy mallintaa pienet päästöt, jotta muotit irtoavat valun jälkeen betonista. Kappaleessa ei siis voi olla muotoja, josta muodostuu negatiivisia päästöjä. Muovimuoteissa kannattaa käyttää modulaarisia ratkaisuja hyödyksi, jolloin myös vaikeammat muodot ovat mahdollisia purkaa. Lisäksi suunnittelussa on huomioitava betonin materiaaliominaisuudet. Liian pienet muodot hajoavat helposti muotteja purkaessa.
3D-tulostetun muovimuotin irrotus betonivalusta voi olla haastavaa, vaikka muoteissa käyttääkin muottiöljyä. Muovimuoteissa oleva kerroksellinen tulostuspinta lisää muotin ja betonin välistä kitkaa ja vaikeuttaa muotin irrotusta. Toinen haaste muovimuotin irrotuksessa on muotin kesto. 3D-tulostetun muovimuotin kestoon vaikuttaa moni asia. Tulostusparametreja säätämällä voidaan vahvistaa seinämien vahvuutta tai lisätä täyttökerrosta. Täyttökerrosta lisäämällä rakenteesta tulee vahvempi, mutta tulostukseen kuluu enemmän materiaalia ja aikaa. Toinen taloudellisempi ratkaisu voisi olla vahvistaa muovimuotteja polyuretaanitäytöllä tai käyttämällä hartsikovetteita.
3D-tulostettuja muovimuotteja voidaan käyttää yhdistämällä pieniä 3D-tulostettuja muotinosia perinteisiin muoteihin. Suurissa tuotantomäärissä tai suurissa muoteissa pitkän tulostusajan takia muovimuotit eivät ole välttämättä paras vaihtoehto, vaan silloin esim. hiekkamuotit voisivat olla järkevämpi vaihtoehto. Hiekkamuotit tulevat myös silloin kyseeseen, kun muodot ovat haasteellisia muovimuotin tulostuksen tai irrotuksen kannalta. Savonian LIVA-hankkeessa onkin seuraavaksi vuorossa 3D-tulostettujen hiekkamuottien testaaminen betonivaluissa.
Sami Lampinen
Projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu, LIVA-hanke
