Drukowane domy z betonu

REbuild to jedyna firma w Polsce i jedna z niewielu na świecie, która potrafi wydrukować obiekty z betonu. Obecnie pracuje nad rozwiązaniami, które mogą zrewolucjonizować całą branżę druku 3DCP (ang. 3D Concrete Printing – trójwymiarowe drukowanie betonem). Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, REbuild może stać się światowym liderem w swojej niszy. Startup jest klientem ośrodka Enterprise Europe Network przy DELab UW, który należy do konsorcjum Sieci koordynowanego przez Polską Agencję Rozwoju Przedsiębiorczości. Eksperci ośrodka pomogli firmie w przygotowaniu biznesplanu, analiz rynkowych oraz w złożeniu wniosków patentowych i wycenie wartości niematerialnych i prawnych.

Technologia druku 3D nie jest niczym nowym. Wszak swoją popularność święciła jeszcze w latach 80. ubiegłego wieku, kiedy to była chętnie wykorzystywana (zresztą nadal jest) do prototypowania w różnych branżach: od elektroniki konsumenckiej po motoryzację. Oczywiście świat idzie do przodu, drukarki są coraz dokładniejsze i prostsze w użyciu, a inżynierowie eksperymentują z materiałami drukującymi. Standardem są tworzywa sztuczne. Coraz częściej słyszymy jednak o metalach, czekoladzie czy tkankach biologicznych. Więc dlaczego nie użyć betonu?

– W tradycyjnym druku 3D niektóre patenty zdążyły już wygasnąć – śmieje się Michał Kowalik, współzałożyciel i prezes startupu REbuild, który w ubiegłym roku wydrukował dom z betonu przy użyciu technologii 3DCP. Na co dzień Michał Kowalik pracuje jako inżynier w stopniu doktora na Politechnice Warszawskiej, a jego przygoda z drukiem 3D dla branży budowlanej zaczęła się w pewnym sensie dosyć niespodziewanie.

Do inżyniera Kowalika zgłosił się Jacek Adamski, anioł biznesu, który mocno zainteresował się drukiem 3D dla budowlanki oraz bardzo optymistycznymi perspektywami wzrostu tego segmentu. Jeśli wierzyć analizom, w ciągu najbliższych kilku lat globalny rynek 3DCP będzie przyrastał w tempie 200 proc. rocznie, a w 2027 roku osiągnie wartość 41 miliardów dolarów. Rozwój branży wpisuje się w generalne prognozy wzrostu dla całego sektora budowlanego. A te są dobre i stabilne. Economics Oxford wyliczył, że w ciągu najbliższej dekady światowa „budowlanka” osiągnie wartość 15 bilionów dolarów, rosnąc średnio 8 proc. r/r. 

Jacek Adamski spytał, czy Michał Kowalik i jego współpracownicy są w stanie użyć betonu w druku 3D. I tak to się zaczęło. Było to w 2018 roku. Rok później gotowy był pierwszy dom, a Kowalik i Adamski założyli spółkę. Obecnie REbuild pracuje nad ulepszeniem technologii, tak aby w procesie druku uwzględnić automatyzację zbrojeń oraz szalunków, a także wykorzystać lekkie i wytrzymałe materiały podporowe. Ale o tym za chwilę. Najpierw pochylmy się nad tym, jakie zalety ma druk 3DCP względem tradycyjnych metod budowlanych.

Drukarka zamiast fabryki

Druk 3DCP może mieć zastosowanie m.in. w budownictwie infrastrukturalnym, gdzie dominują prefabrykaty ustawione w typoszereg, a także we wszystkich projektach, gdzie trzeba wydrukować coś w nietypowym wymiarze i kształcie. Sprawdzi się też jako maszyna do produkcji małej architektury. Drukarki można ułożyć obok siebie i stworzyć farmę prefabrykacyjną, która zastąpi fabrykę. Takie rozwiązanie z jednej strony zmniejsza koszty, z drugiej strony zaś zwiększa elastyczność produkcji. Do tego maszyny można łatwo złożyć i szybko przewieźć w inne miejsce, np. na plac budowy. Zalet jest jednak zdecydowanie więcej.

– Przede wszystkim redukujemy zapotrzebowanie na pracę ludzką. Rąk do pracy brakuje już nie tylko na budowach, ale i w zakładach produkujących materiały budowlane oraz prefabrykaty. Kolejną zaletą jest bardzo przewidywalny czas budowy, bo maszyna może pracować 24 godziny na dobę. Potrzebny jest jedynie operator drukarki oraz ekipa przygotowująca mieszankę. Koszty wydrukowania domu mogą być nawet do 50 proc. niższe od tradycyjnych metod – wyjaśnia Michał Kowalik.

Jakiej wielkości struktury można drukować? – W zasadzie takiej, jakiej potrzebujemy – mówi szef REbuild.  Ograniczeniem nie jest pierwotny rozmiar maszyny, bowiem urządzenie jest bardzo łatwe do skalowania – wystarczy wydłużyć ramiona, profile oraz dać większą ramę. Wyzwaniem jest jednak dobranie odpowiedniego składu mieszanki drukującej.

W klasycznym druku 3D wykorzystywane są tzw. filamenty z tworzyw sztucznych (np. PLA czy ABS), które bardzo szybko schną i twardnieją. W 3DCP jest to mieszanka cementu, wody i kruszywa w różnych proporcjach. Drukowana warstwa nie dość, że nie może się rozlać pod swoim własnym ciężarem, to jeszcze musi służyć za podporę kolejnym warstwom. I nie może opaść. Dlatego REbuild opracowało własną autorską mieszankę (w sumie 60), która jest optymalna dla tej technologii.

– Najważniejszy jest złoty środek. Beton musi wystarczająco szybko schnąć, aby można było bez przestoju wylać kolejną warstwę, a zarazem na tyle wolno, żeby warstwy się ze sobą „płynnie” złączyły. Do tego dochodzą właściwości użytkowe – szybkoschnący beton będzie pękał, z kolei wolnoschnący się po prostu „rozleje”. Oprócz tego beton musi dać się łatwo pompować. Bez tętnień. Aby wiązka była równa – dodaje Michał Kowalik.

Recepta REbuild na dwa wyzwania

Przed branżą stoją dwa wyzwania. Pierwsze to opracowanie odpowiedniego materiału podporowego, który służyłby do podtrzymywania drukowanych poziomo warstw. To nic innego jak „podstawka” dla betonu, aby jego kolejne warstwy miały na czym spocząć, dopóki nie stężeją.

 – Zupełnie jak w standardowej drukarce 3D. Z tą różnicą, że materiał podporowy musi znieść dużo większe obciążenia. To wyzwanie, z którym mierzy się cała branża – tłumaczy szef REbuild.

Stąd większość realizacji 3DCP na świecie obejmuje gołe ściany, które są strukturami pionowymi. Powód jest prosty. Technologia nie pozwala jeszcze na zwieńczenie ścian stropami – właśnie przez brak odpowiedniego materiału podporowego.

Kolejnym wyzwaniem jest uwzględnienie w procesie druku kwestii zbrojenia. To ostatnie ma kluczowe znaczenie dla wytrzymałości betonu, który bez wzmocnienia żelaznymi prętami ma bardzo niską wytrzymałość na rozciąganie. Stąd żelbet (żelazobeton) to podstawa wszelkich betonowych konstrukcji: budynków mieszkalnych, biurowych, obiektów sportowych, a także wiaduktów czy tuneli. W przypadku dostępnych technologii 3DCP zbrojenie nadal trzeba układać ręcznie.  To bardzo ciężka i żmudna praca, bo pręty trzeba przycinać i układać ręcznie. 

– Firmom z branży nie udało się w sposób automatyczny połączyć zbrojenia konstrukcji z procesem druku. My wiemy, jak to zrobić i już rozpoczęliśmy prace badawczo-rozwojowe w tym zakresie – mówi Michał Kowalik.

REbuild otrzymało na ten cel 6 mln złotych z tzw. szybkiej ścieżki NCBiR (Narodowe Centrum Badań i Rozwoju). W ramach tego samego grantu startup zajmie się też opracowywaniem wytrzymałego, recyklowalnego materiału podporowego. Dzięki temu druk 3DCP stałby się technologią kompletną, która umożliwia drukowanie całych budynków.

REbuild jest jednym z nielicznych w Europie startupów, którym udało się wydrukować betonowe struktury.  O tym, że druk 3DCP ma potencjał, niech świadczy fakt, że rozwijają go nie tylko startupy, ale też pierwszoligowi gracze z branży budowlanej.

Drukarka REbuild podczas pracy, fot. materiały prasowe

Kompleksowe wsparcie od Enterprise Europe Network

– Złożyliśmy już wnioski patentowe. Zarówno na automatyzację procesu zbrojenia, jak i na materiał podporowy. Technologia jest na tyle innowacyjna, że Urząd Patentowy miał duży ból głowy, aby znaleźć odpowiedniego eksperta do rozpatrzenia i ocenienia wniosku – śmieje się szef REbuild. 

Przygotowanie wniosków patentowych związane jest m.in. z wyceną wartości niematerialnej i prawnej, która jest konieczna do określenia wartości patentu. Wykonaniem takiej wyceny zajęli się eksperci Enterprise Europe Network z ośrodka Sieci przy DELab UW. – W międzyczasie pomogliśmy też przy opracowywaniu biznesplanu oraz analiz rynkowych na potrzeby grantu z tzw. szybkiej ścieżki NCBiR. Analizy objęły zapotrzebowanie rynkowe, opłacalność inwestycji oraz rozpoznanie konkurencji – mówi Tomasz Krawczyk, ekspert Sieci bezpośrednio zaangażowany w pomoc REbuild.

Firma była również o włos od zakwalifikowania się do II Fazy Instrumentu MŚP w programie Horyzont 2020. – To był nasz debiut w pisaniu wniosków do programów komisyjnych jako jednostki Enterprise Europe Network. I bardzo cenne doświadczenie na przyszłość – wspomina ekspert Sieci. REbuild się jednak nie zraża i z pewnością postara się o granty komisyjne w kolejnej perspektywie finansowej UE z programu Horyzont Europa (następca programu Horyzont 2020 – przyp. red.).

– Od siebie dodam, że pomoc od Enterprise Europe Network była świadczona z ogromnym zaangażowaniem, nierzadko w nietypowych godzinach. Sami również się wiele nauczyliśmy podczas wspólnego składania wniosków w programie Horyzont 2020 – mówi Michał Kowalik.   

Nie czekać z komercjalizacją

Pierwsze prace badawcze REbuild sfinansowało z własnych środków. Na tym etapie pracownicy zaangażowali przede wszystkim swój czas i wiedzę. Następnie przyszła kolej na dwie inwestycje z funduszy Bridge Alfa (Agritech HUB i Simpact Fund) o wartości 900 tys. złotych.  – Hardware’owe przedsięwzięcia są zdecydowanie bardziej kapitałochłonne od software’owych. Mnóstwo środków pochłania prototypowanie, optymalizacja wydruku, badanie mieszanek, dlatego sięgnęliśmy po finansowanie z zewnątrz – wyjaśnia szef REbuild.

Startup nie zamierza jednak czekać z komercjalizacją do momentu zakończenia prac B+R nad automatyzacją procesu zbrojenia oraz materiału podporowego i opracowania „ultra” technologii 3DCP.

– Trzeba sprzedawać, aby mieć więcej kapitału na dalszy rozwój. Poza tym podczas komercjalizacji każdego z etapów można wiele się nauczyć. Niezwykle cenny jest feedback od klientów – mówi Michał Kowalik.

Pierwszym etapem komercjalizacji REbuild jest produkcja prefabrykatów oraz elementów małej architektury, co już ma miejsce. Meble oraz akcesoria ogrodowe produkowane na drukarkach REbuild cechują się dobrym wzornictwem, a do ich zaprojektowania zaangażowano architekt Alicję Rudowską.

– Właśnie kończymy budować drugą maszynę. Ma zdecydowanie większą wydajność niż prototyp. Stworzyliśmy ją z myślą o produkcji elementów małej architektury, które będziemy mogli wytwarzać na dużo większą skalę niż dotychczas – zapowiada szef REbuild.

Kolejnym krokiem jest opracowanie i wdrożenie technologii umożliwiającej automatyczne zbrojenie. Następnym zaś technologia wytwarzania lekkich, nadających się do recyklingu podpór podtrzymujących drukowane struktury, co umożliwi drukowanie poziomych elementów bezpośrednio na placu budowy. Po uwzględnieniu tych wszystkich rozwiązań w druku 3D, REbuild ma szansę stać się liderem w branży.

– Prognozy są świetne, natomiast rynek jest na tak wczesnym etapie rozwoju, że trudno przewidzieć, jaki model biznesowy okaże się najlepszy. Nie obawiamy się wyzwań technologicznych, bo wiemy, że sobie z nimi poradzimy. Większym zagrożeniem jest legislacja. Budownictwo jest obszarem silne regulowanym przepisami i normami. A druk 3DCP to absolutna nowość, dla której nikt nie opracował norm i standardów. Nie tylko w UE, ale na całym świecie. Brak tych regulacji może zahamować szybki rozwój rynku – zwraca uwagę szef REbuild.

O DELab UW

– DELab to interdyscyplinarny zespół badawczy złożony z naukowców Uniwersytetu Warszawskiego – ekonomistów, socjologów, prawników, filozofów oraz inżynierów oprogramowania. Prowadzone przez nas badania koncentrują się na zagadnieniach szeroko  rozumianej transformacji cyfrowej oraz jej wpływu na gospodarkę, przedsiębiorstwo, pracowników, nawyki konsumenckie oraz relacje międzyludzkie. Łączymy perspektywę holistyczną z najnowszymi narzędziami badawczymi wspomaganymi big data oraz sztuczną inteligencją. I co najważniejsze, nie zamykamy się w laboratoriach. Jesteśmy otwarci na otoczenie, a bycie jednym z ośrodków Enterprise Europe Network jest dla nas dodatkowym oknem na świat – mówi prof. Katarzyna Śledziewska, dyrektor DELab UW.

Eryk Rutkowski

Departament Wsparcia Przedsiębiorczości PARP, Enterprise Europe Network