Wielkoformatowe wytwarzanie addytywne 3D w zastosowaniach konserwacji dziedzictwa kulturowego oferuje bezkontaktową alternatywę wobec klasycznych metod wykonywania form i manualnej rekonstrukcji. Integracja skanowania 3D o dokładności metrologicznej z przemysłowym procesem FFF pozwala zespołom konserwatorskim na cyfrowe odwzorowanie kruchych artefaktów, produkcję zaawansowanych systemów formierskich oraz odtwarzanie utraconych obiektów zabytkowych przy zachowaniu pełnego bezpieczeństwa oryginalnych eksponatów.

Redukcja ryzyka geometrycznego i odbudowa integralności strukturalnej dzięki wielkoformatowej technologii FFF
Odtwarzanie zabytkowych artefaktów wymaga rozwiązania złożonych problemów inżynieryjnych — od zachowania submilimetrowej dokładności historycznych detali po zapewnienie stabilności mechanicznej repliki, przy jednoczesnym wyeliminowaniu ryzyka związanego z kontaktowymi metodami wykonywania form na osłabionych, degradowanych obiektach oryginalnych. Niniejsze studium przypadku analizuje dwa odmienne przemysłowe przepływy technologiczne, łączące skanowanie 3D klasy metrologicznej z wielkoformatowym wytwarzaniem metodą Fused Filament Fabrication (FFF):

1. Francuska macierz (TH Industrie): Bezkontaktowy workflow scan-to-mold oparty na przemysłowym systemie wytwarzania addytywnego i materiale ABS klasy inżynieryjnej, umożliwiający produkcję 12-częściowej formy odlewniczej z elementami wzajemnie zazębiającymi się dla delikatnych XVI-wiecznych artefaktów wykonanych z drewna.
   
2. Czeska macierz (Jindřichův Hradec / Tredi): Wieloetapowy proces cyfrowej rekonstrukcji 3D i bezpośredniej wielkoformatowej replikacji historycznego pomnika na podstawie zachowanych modeli gipsowych. Projekt zastąpił tradycyjne metody wykonania z kamienia oraz ręcznego odlewania metali zoptymalizowanym, sterowanym cyfrowo procesem przemysłowego wytwarzania addytywnego.

Oba studia przypadków potwierdzają, że połączenie aktywnej kontroli warunków termicznych procesu z wysokoprecyzyjną digitalizacją pozwala minimalizować ryzyko strukturalne, redukować całkowity koszt posiadania (TCO) oraz przełamywać ograniczenia tradycyjnych metod konserwatorskich związanych z czasochłonnym przygotowaniem modeli i oprzyrządowania.

Struktura techniczna i specyfikacja realizacji projektu

Studium przypadku 1: Bezkontaktowy proces scan-to-mold dla kruchych XVI-wiecznych artefaktów zabytkowych | Francja (TH Industries)

Wyzwanie inżynieryjne: wyeliminowanie naprężeń mechanicznych podczas rekonstrukcji osłabionych struktur zabytkowych

Dwie zabytkowe, XVI-wieczne rzeźby świętych wyrzeźbione w drewnie dębowym znajdowały się w stanie zaawansowanej degradacji wywołanej czynnikami środowiskowymi. Klasyczne metody wykonywania replik zakładają bezpośrednie wykonanie silikonowych lub gipsowych form kontaktowych na powierzchni oryginalnego obiektu. Proces mechanicznego odłączania takiej formy generuje jednak obciążenia, które mogłyby spowodować ścinanie osłabionych włókien drewna oraz utratę nieodtwarzalnych śladów historycznej techniki rzeźbiarskiej.

Lokale służby konserwatorskie określiły wymagania dla w pełni bezkontaktowego procesu odtworzeniowego, zdolnego do zachowania historycznych detali geometrycznych z dokładnością submilimetrową oraz przekształcenia cyfrowej dokumentacji obiektu w trwały element wykonany z materiału o wysokiej odporności eksploatacyjnej.

Rozwiązanie wykorzystujące technologię addytywną: aktywna kontrola temperatury w zamkniętej komorze oraz segmentowa konstrukcja systemu formierskiego

W ramach współpracy ze specjalistami metrologii, korzystającymi z zaawansowanych systemów pomiarowych (technologia Creaform wraz z oprogramowaniem PolyWorks), TH Industries stworzyło dokładny cyfrowy bliźniak rzeźb. Proces bezkontaktowej digitalizacji pozwolił na zachowanie mikrotekstury oryginalnej dębowej powierzchni referencyjnej oraz pełnej geometrii obiektu w środowisku cyfrowym.

W fazie projektowania CAD inżynierowie przekształcili cyfrowy model obiektu w odwrotną geometrię narzędziową, tworząc złożony, 12-częściowy system formy segmentowej z elementami wzajemnie blokującymi się. Segmentacja wielkogabarytowej bryły na 12 dokładnie zdefiniowanych komponentów była konieczna ze względów geometrycznych — umożliwiła uzyskanie prawidłowych kątów wypychania oraz bezpieczne rozformowanie po zakończeniu końcowego etapu odlewania materiału konstrukcyjnego.

Wielkoformatowy druk elementów z klasycznego ABS stanowi istotne wyzwanie technologiczne ze względu na wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) materiału. Brak precyzyjnej kontroli środowiska procesu powoduje akumulację naprężeń wewnętrznych pomiędzy warstwami, co może prowadzić do skurczu, odkształceń naroży oraz poważnych defektów w postaci rozwarstwienia struktury wydruku.

W celu rozwiązania problemu TH Industries zastosowało przemysłową drukarkę 3D Omni TECH. Zamknięta komora robocza z aktywną kontrolą temperatury zapewnia jednorodny rozkład cieplny w całej przestrzeni budowy, minimalizując ryzyko skurczu objętościowego i deformacji. Dzięki temu wszystkie 12 współpracujących ze sobą segmentów formy zachowało wymaganą dokładność wymiarową oraz spełniło rygorystyczne tolerancje geometryczne.

Wynik operacyjny

Dwanaście segmentów ABS wykonanych metodą druku 3D zachowało pełną ciągłość konstrukcyjną i zostało precyzyjnie spasowanych podczas montażu bez dodatkowej obróbki mechanicznej ani stosowania podkładek wyrównujących. Pominięcie tradycyjnych etapów wykonywania modeli i oprzyrządowania pozwoliło TH Industrie wyeliminować ryzyko deformacji geometrycznych, znacząco skrócić czas realizacji oraz płynnie przejść do etapów końcowego wygładzania powierzchni i przygotowania elementu do odlewania.

Studium przypadku 2: Bezpośrednie, wielkoformatowe odtworzenie monolityczne pomnika Šveca metodą druku 3D | Republika Czeska

Wyzwanie inżynieryjne: przestrzenna rekonstrukcja geometrii na podstawie fragmentarycznie zachowanych wzorców i elementów formierskich

Pomnik pułkownika Josefa Jiříego Šveca, autorstwa rzeźbiarza Otto Birmy — żołnierza służącego pod rozkazami Šveca podczas I wojny światowej — pierwotnie stanowił element przestrzeni dziedzińca koszarowego w Jindřichův Hradec. Obiekt został następnie systematycznie zniszczony w okresie Protektoratu, co doprowadziło do konieczności jego późniejszej rekonstrukcji na podstawie zachowanych materiałów historycznych.

W odróżnieniu od francuskiego studium przypadku, w tym projekcie nie istniał już zachowany oryginalny artefakt w pełnej skali. Głównym wyzwaniem inżynieryjnym była rekonstrukcja wielkogabarytowego monumentu publicznego na podstawie istniejących historycznych gipsowych modeli koncepcyjnych, które poddano cyfrowemu skalowaniu w celu dokładnego dopasowania do pierwotnych wymiarów architektonicznych dziedzińcowego cokołu.

Rozwiązanie addytywne: protokoły druku 3D do ekspozycji publicznych na zewnątrz

Gmina Jindřichův Hradec, we współpracy ze specjalistami technologii addytywnych z firmy Tredi (Planá nad Lužnicí), opracowała cyfrowy proces skalowania i wytwarzania repliki. Zachowane modele gipsowe poddano digitalizacji za pomocą wysokorozdzielczych optycznych systemów skanowania 3D. Otrzymana chmura punktów została poddana cyfrowej obróbce, oczyszczaniu danych, matematycznemu skalowaniu oraz przygotowaniu geometrii do segmentowego, wielkoformatowego druku 3D.

Segmenty wewnętrzne rzeźby zostały wykonane przy użyciu wielkogabarytowych przemysłowych systemów druku 3D w Pradze. Końcowy etap procesu — obejmujący strukturalne połączenie elementów, stabilizację powierzchni oraz wykonanie powłok i wykończeń inżynieryjnych — przeprowadzono w specjalistycznym zakładzie Tredi w Planá nad Lužnicí. Ze względu na docelową instalację zewnętrzną na otwartym postumencie materiał musiał charakteryzować się wysoką stabilnością UV oraz ograniczoną absorpcją wody, zapewniając odporność na długotrwałe oddziaływanie środowiska, w tym cykle zamarzania i rozmarzania.

Wynik operacyjny

Łączne nakłady inwestycyjne projektu, obejmujące wykonanie rzeźby oraz przygotowanie miejsca jej docelowej instalacji na dziedzińcu, wyniosły około 300 000 CZK. Wykorzystanie cyfrowego workflow opartego na skanowaniu i przemysłowym druku 3D umożliwiło ograniczenie kosztów w porównaniu z tradycyjnymi metodami odlewniczymi oraz skrócenie czasu realizacji, który w przypadku monumentów z brązu lub ręcznie obrabianego kamienia może wynosić wiele miesięcy. Wykonana replika zachowała pełną wierność wizualną i geometryczną względem oryginalnego dzieła Otto Birmy oraz została zamontowana na granitowym cokole w obrębie dziedzińca akademika uniwersyteckiego.

Analiza przemysłowego zwrotu z inwestycji (ROI) i całkowitego kosztu posiadania (TCO): druk 3D (AM) kontra tradycyjne technologie wykonywania oprzyrządowania w projektach dziedzictwa kulturowego

Analiza w oparciu o przemysłowy model całkowitego kosztu posiadania (TCO) pokazuje, że wielkoformatowa produkcja addytywna istotnie zmienia strukturę kosztów projektu w porównaniu z tradycyjnymi procesami renowacji i rekonstrukcji rzemieślniczej:

1. Eliminacja kosztów odpadu materiałowego i tradycyjnego oprzyrządowania: Klasyczne procesy rzemieślniczej reprodukcji wykorzystują wieloelementowe silikonowe powłoki formierskie oraz wzmacniane włóknem szklanym formy podporowe z gipsu. Przy rekonstrukcji obiektu o wysokości 1,3 m koszt materiału silikonowego o wysokiej odporności na rozdzieranie może stanowić istotną inwestycję początkową, przy jednoczesnym ryzyku całkowitej utraty formy w przypadku jej przemieszczenia podczas procesu zalewania. Wielkoformatowe wytwarzanie form metodą druku 3D pozwala zastosować jedynie wymaganą objętość materiału konstrukcyjnego ABS, ograniczając zużycie surowców, odpady oraz koszty przygotowania narzędzi.
2. Redukcja ograniczeń wynikających z dostępności specjalistycznej siły roboczej: Tradycyjne procesy wykonywania form wymagają wielu godzin ręcznej pracy wykonywanej przez wysoko wykwalifikowanych rzemieślników i konserwatorów. Technologia FFF w rozwiązaniu Omni3D pozwala przenieść znaczną część procesu na zautomatyzowaną produkcję maszynową. Po walidacji segmentowej architektury CAD system może pracować autonomicznie przez długie cykle produkcyjne, zwiększając wykorzystanie parku maszynowego i ograniczając zależność od ręcznej pracy specjalistów.
3. Ograniczenie ryzyka odpowiedzialności za uszkodzenia: Jednym z ukrytych kosztów konserwacji historycznej jest ryzyko związane z naruszeniem integralności oryginalnego obiektu. Tradycyjne procesy odlewnicze wymagają fizycznego kontaktu z zabytkową powierzchnią i mogą generować obciążenia chemiczne oraz mechaniczne działające na wrażliwe struktury. Zastosowanie cyfrowej metrologii eliminuje kontaktowe ryzyko uszkodzenia na etapie pozyskiwania danych, umożliwiając bezinwazyjną dokumentację geometrii obiektu.

Rekomendacje techniczne dla zaawansowanej produkcji form metodą FFF

W przypadku zespołów inżynieryjnych wdrażających podobne wielkoformatowe procesy scan-to-mold poniższe parametry druku są rekomendowane zgodnie z wytycznymi inżynierów Omni3D. Ich zastosowanie pozwala zwiększyć sztywność strukturalną elementów oraz zminimalizować ryzyko rozwarstwienia podczas eksploatacji lub procesu odlewania:

• Wybór materiału: Zastosowano ABS klasy inżynieryjnej lub ABS Carbon, aby uzyskać najwyższą stabilność wymiarową i sztywność konstrukcji wymaganą do przenoszenia ciśnień występujących podczas procesu zalewania formy.
• Interfejs adhezyjny: Klej ASNARE do technologii druku 3D został naniesiony równomierną warstwą na platformę roboczą. Wysokotemperaturowe materiały, takie jak ABS, generują znaczne naprężenia wynikające z gradientów cieplnych, dlatego ASNARE zapewnia stabilne, chemiczne połączenie o wysokiej odporności na ścinanie. Pozwala to ograniczyć ryzyko odkształceń narożników podczas długich cykli druku w ogrzewanej komorze, jednocześnie umożliwiając łatwe odspojenie gotowego elementu po schłodzeniu platformy.
• Konfiguracja modułu głowicy drukującej: Dla standardowych materiałów inżynieryjnych, takich jak ABS, zalecane jest zastosowanie modułu głowicy MT (Medium Temperature) pracującego w temperaturze do 360°C, z mosiężną dyszą o średnicy 0,6 mm lub 0,8 mm. Dobór tej konfiguracji zapewnia wysoką jakość połączenia warstw oraz odpowiednią wydajność procesu przy produkcji grubych ścianek skorup formierskich.
• Konfiguracja wypełnienia i ścianek: Element został wykonany z zastosowaniem co najmniej 4 obrysów oraz adaptacyjnego wypełnienia gyroidowego o gęstości 20–30%, co zapewnia odpowiednią sztywność konstrukcji i odporność na ciśnienie hydrostatyczne generowane przez materiał odlewniczy podczas procesu zalewania.