波蘭研究人員探索3D打印建筑的自動化

2020年4月17日，南極熊從外媒獲悉，波蘭西波美拉尼亞理工大學(xué)（ZUT）的研究人員對3D打印建筑施工的自動化進行了研究，同時還研究了在混凝土混合料的流變特性方面改進工藝的方法。

具體而言，該研究詳細介紹了增材制造技術(shù)在建筑墻體模型制造中的應(yīng)用，包括門的自動安裝。門是橫穿建筑物的開口（例如門，窗等）的梁，用于支撐來自上方結(jié)構(gòu)的載荷。

該研究的目的是提高3D打印混凝土混合物傳遞負荷的能力，這在3D打印施工過程中需要將外部組件（例如預(yù)制石或地板橫梁）放置在頂部的情況下尤其麻煩。

研究人員表示，這種調(diào)查可以證明對使用混凝土3D打印技術(shù)設(shè)計更大的民用建筑有益。

3D打印墻的步驟

建筑3D打印的優(yōu)勢

該研究通過解釋說，建筑技術(shù)的發(fā)展一直集中在通過自動化加快建筑物和結(jié)構(gòu)的建造上。這種發(fā)展的最前沿技術(shù)是使用混凝土混合物的增材制造，該技術(shù)允許通過逐層擠出混凝土混合物來構(gòu)建結(jié)構(gòu)。

該技術(shù)的作者解釋說：“考慮到模板可以構(gòu)成混凝土結(jié)構(gòu)總成本的35-54％，增材制造的應(yīng)用帶來可觀的利潤。它不僅允許無模板的結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，而且還減少了總的生產(chǎn)時間，成本和人工。該技術(shù)還提高了建筑工地工人的安全性，減少了浪費，并使用了具有較低體現(xiàn)能的原材料?！?br />
的確，最近建筑3D打印領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了許多舉措和項目，與傳統(tǒng)的建筑過程相比，這使得能夠在短時間內(nèi)建造大型結(jié)構(gòu)。例如，總部位于紐約的S-Squared 3D打印機（SQ3D）的分支SQ4D最近完成了新建筑物的建造，該建筑物被稱為“世界上允許的最大3D打印房屋”。據(jù)報道，這套3D打印房屋的面積為1900平方英尺，耗時8天，打印時間總計48小時。

非盈利組織New Story是一家與流浪者作斗爭的非營利組織，而總部位于德克薩斯州的建筑技術(shù)公司ICON也已啟動了一項旨在創(chuàng)建“世界上第一個” 3D打印混凝土房屋社區(qū)的計劃。 3D打印房屋于2018年首次發(fā)布，旨在為拉丁美洲的低收入社區(qū)提供適應(yīng)其日常生活的低成本住房。到目前為止，ICON和New Story在塔巴斯科州已經(jīng)用3D打印了兩棟房屋。每個項目都在大約24小時的打印時間內(nèi)完成，面積為500平方英尺。NewStory將3D打印確定為以更快的速度為這些家庭提供住房的一種方式。

SQ4D的3D打印建筑

建筑3D打印中混凝土的流變特性

在討論結(jié)構(gòu)的增材制造時，ZUT研究人員在他們的研究中解釋了確保由附加打印層引起的負荷增加與固化過程中已經(jīng)放置的層強度之間的相關(guān)性的重要性。作者進一步解釋說：“從這個角度出發(fā)，重要的是確定合適的擠出速度，這樣就可以在打印頭返回其原始位置時為每一層獲得足夠的強度，該層需要以承受沉積在頂部的層所施加的負載。”因此，在3D打印中的主要挑戰(zhàn)是獲得具有所需流變性的混合物，以確保適當(dāng)?shù)拇蛴∵^程。

因此，研究的目的是介紹帶有門開口的按比例縮小的墻壁模型的增材制造，包括門的自動安裝。具體來說，該研究會調(diào)整墻的設(shè)計和打印過程，以考慮到新鮮混凝土的流變和機械性能以及自動安裝過程。

研究人員旨在證明自動化過程可以以高精度設(shè)計，這一點已通過仿真證實。他們在一個專門設(shè)計的地點建造了墻，該地點包括一個與抽水模塊連接的3D機器人。 3D打印機和打印頭的運動是由G代碼控制的，而混合物是在實驗室混合器中制備的，然后轉(zhuǎn)移到泵單元中，然后通過軟管將其輸送到打印頭料斗。

墻面打印過程的步驟

在成功地對比例模型墻進行3D打印之后，研究人員能夠通過安裝帶有特殊的夾具確認增材制造中自動化墻構(gòu)造過程的可能性。還證明了該打印機可以在整個打印過程中用于放置預(yù)制元件。重要的是，研究人員還證實，由于涉及的特定過程特性，與常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)相比，新鮮混凝土的流變特性在3D打印結(jié)構(gòu)中具有更高的重要性。

最后，研究人員指出：“目前在不同的研究中心正在進行多個實驗項目，以研究所需的混凝土混合物的機械和流變性能及其在打印過程中的行為。有關(guān)混合特性和3D打印策略的進一步研究將導(dǎo)致設(shè)計和施工程序的發(fā)展，這將確保所需水平的建筑結(jié)構(gòu)安全性?！?br />
Marcin Hoffmann，Szymon Skibicki，PawełPankratow，AdamZieliński，MirosławPajor和Mateusz Techman撰寫了論文“Automation in the Construction of a 3D-Printed Concrete Wall with the Use of a Lintel Gripper”。它發(fā)表在《Materials》雜志上。


編譯自：3dprintingindustry