蘇黎世大學(xué)將利用機(jī)器人3D打印瑞士文化遺址

近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的建筑師和工程師正計劃建造一座由3D打印柱子組成的23米高的塔，這將成為瑞士Mulegns小村莊的一個文化場所。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院負(fù)責(zé)研究的副校長Detlef Günther對外表示，該項目的目標(biāo)是振興這個只有16名居民的地區(qū)，并加強(qiáng)文化、研究和技術(shù)發(fā)展之間的聯(lián)系。因為新的知識往往出現(xiàn)在不同學(xué)科的交匯處。

這座高塔將在現(xiàn)場使用機(jī)器人3D打印機(jī)建造，據(jù)稱75英尺的高度將是有史以來由機(jī)器人建造的高的3D打印結(jié)構(gòu)之一。

△Mulegns的3D打印白塔的外觀效果圖。圖片來源：Hansmeyer/Dillenburger

與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院合作的 "蛋殼 "3D打印技術(shù)

對于在建筑環(huán)境中進(jìn)行混凝土3D打印來說，它通常需要由模板來支撐，因為它從流體材料過渡到固體，這可能是昂貴的。正交結(jié)構(gòu)也仍然是常態(tài)，許多建筑使用的材料比實際需要的要多。雖然FDM 3D打印在建筑應(yīng)用中顯示出前景，但這項技術(shù)的速度、規(guī)模以及無法生產(chǎn)薄的打印結(jié)構(gòu)來固定混凝土，在一定程度上阻礙了其廣泛采用。

2020年7月，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員將機(jī)器人大規(guī)模FDM 3D打印與鑄造方法相融合，設(shè)計出一種新穎的 "蛋殼 "混凝土3D打印工藝。這項技術(shù)使團(tuán)隊能夠以一種更節(jié)省材料的方式生產(chǎn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時也將材料的橫向壓力降到最低，以允許打印出具有更復(fù)雜幾何形狀的雕塑作品。

通過將大規(guī)模機(jī)器人FDM 3D打印與按需設(shè)置的數(shù)字鑄造系統(tǒng)相結(jié)合，系統(tǒng)由蘇黎世的一個早期團(tuán)隊在2014年設(shè)計的智能動態(tài)鑄造（SDC）方法發(fā)展而來，建造團(tuán)隊可以使用單層薄殼作為模板創(chuàng)造更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

通過與德國工程公司Basler & Hofmann合作，蘇黎世團(tuán)隊部署了這項制造工藝，在公司總部的院子里創(chuàng)建了一棵3D打印的 "未來之樹"，并且樹的柱子在幾個小時內(nèi)就可以完成自我支撐。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院此前還參與了其他幾個建設(shè)項目，與扎哈-哈迪德建筑事務(wù)所合作，創(chuàng)建了一個5噸重的3D打印弧形外殼混凝土館，并使用3D打印機(jī)和機(jī)械臂數(shù)字化制造了一棟三層樓的房子。

△白塔門廳的內(nèi)景效果圖。圖片來自Hansmeyer/Dillenburger

白塔的打印

穆勒根斯的復(fù)興項目是劇院導(dǎo)演和Origen文化節(jié)創(chuàng)始人喬瓦尼-內(nèi)策的創(chuàng)意。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Benjamin Dillenburger和數(shù)字建筑技術(shù)研究小組的Michael Hansmeyer與Origen基金會一起設(shè)計了這座塔，它將主要由有機(jī)形狀的3D打印白色混凝土柱組成。

這些柱子支撐著四層樓，每層樓的高度在四米到八米之間，并在塔頂形成一個圓頂，圓頂內(nèi)將有一個舞臺，可以舉行戲劇、舞蹈表演和音樂會。

來自國家研究中心（NCCR）數(shù)字制造部的另外三位ETH教授也與迪倫伯格一起參與了該塔的開發(fā)。Robert Flatt負(fù)責(zé)混合可打印的混凝土材料，Walter Kaufmann負(fù)責(zé)打印部件的結(jié)構(gòu)完整性和連接，AndreasWieser將專注于建造過程中的計量和檢測要素。

這座塔塔的建設(shè)將于2022年4月在現(xiàn)場開始。據(jù)報道，機(jī)器人打印機(jī)將能夠在兩個小時內(nèi)打印出一個三米高的柱子，每個3D打印元件都將被設(shè)計成可以在另一個地方拆卸和重建的塔。

使用3D打印技術(shù)進(jìn)行建造，將能夠生產(chǎn)出復(fù)雜幾何形狀的柱子，并且通過消除對模板的需求，還將需要使用更少的原材料。

△劇院導(dǎo)演Giovanni Netzer；ETH負(fù)責(zé)研究的副主席Detlef Günther；聯(lián)合會主席Guy Parmelin和格勞賓登州政府委員會的Mario Cavigelli（從左至右）。照片來自Benjamin Hofer

混凝土3D打印

在建筑領(lǐng)域，3D打印正被越來越多地用于提供增強(qiáng)的材料特性，降低制造時間和成本，并在新建筑的建造過程中提高材料效率。

近年來，該領(lǐng)域也取得了一些進(jìn)展，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員正在研究一種新方法，將3D打印的聚合物八邊形格子納入混凝土結(jié)構(gòu)中作為加固物，使結(jié)構(gòu)的重量更輕，同時保留基本的承重能力。

在其他地方，斯里蘭卡Sri Jayewardenepura大學(xué)和英國諾森比亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)確定了3D打印阻燃混凝土墻的最佳參數(shù)設(shè)置，而斯威本科技大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家則試圖通過將建筑垃圾重新利用到3D打印混凝土中來提高該行業(yè)的可持續(xù)性。

5月，瓦倫西亞理工大學(xué)的一個研究小組開發(fā)了一種獲得專利的3D打印的鋼筋混凝土梁的替代品，其形式為3D打印的塑料塊，可以像樂高磚一樣組裝起來，并在原地凝固。