康奈爾大學為學生開設混凝土3D打印課，探尋建筑如何經(jīng)受時間考驗

2022年5月14日，南極熊獲悉，位于紐約康奈爾大學瑟斯頓大廳地下室的Bovay民用基礎設施實驗綜合大樓最近購買了一臺工業(yè)3D打印機器人。這臺大約6000磅重的機器有能力3D打印出大型結構，有可能在未來改變建筑業(yè)。

△Boyay實驗室技術服務經(jīng)理 James Strait 和土木與環(huán)境工程助理教授 Sriramya Nair 監(jiān)督康奈爾字體中大字母 C 的 3D 打印。Charissa King-O'Brien/提供

3D打印的好處很多，可持續(xù)的材料、高效的生產(chǎn)速度和消除成噸的廢物只是其中的一部分。這就是為什么許多工業(yè)領域已經(jīng)在其日常生產(chǎn)中引入了3D打印，并且仍然渴望找到更多的方法將其應用于未來的項目。

在過去的幾年里，3D打印的市場一直在大幅增長，已經(jīng)成為汽車制造、航空航天甚至生物醫(yī)學行業(yè)的重要組成部分。然而，當涉及到混凝土打印領域時，增材制造的狀況還沒有像其他領域那樣先進。雖然許多項目已經(jīng)實現(xiàn)，但建筑工程師和研究人員仍然有許多問題，例如，3D打印結構在未來幾年將如何經(jīng)受時間的考驗。

為了給這些仍然存在的問題找到更多的答案，紐約州伊薩卡的康奈爾大學最近購買了這個重量級的機器人，這將幫助他們在混凝土3D打印領域進行研究�？的螤柎髮W土木與環(huán)境工程教授德里克-華納說："機器人砌筑（鋪磚）、用再生塑料打印和大規(guī)模用金屬打印都是令人興奮的領域，無論是在科學和研究方面，或是在技術和工程方面，都有很大的發(fā)展空間。許多控制建房過程參數(shù)的縮放比例需要被研究，這是為了使打印建筑接近他們能夠使用的范圍，這同樣適用于一些控制性能的現(xiàn)象。此外，在使用新技術進行早期擴展時，總會出現(xiàn)未知的驚喜�！�

創(chuàng)新的工業(yè)機器人

如前所述，這臺名為IRB 6650S的3D打印機器人重約6000磅，令人印象深刻的是他裝配由約13英尺的機械臂，同時還在一條橫跨約12英尺的軌道上。康奈爾大學擁有這臺高科技機器，它于2月初抵達實驗室綜合大樓，從而獲得了許多研究機會，在全球只有極少數(shù)教育機構擁有。除此之外，該系統(tǒng)還將使工程學院的學生能夠進行機器人建筑研究，使他們在該領域獲得第一手的經(jīng)驗。

△Bovay民用基礎設施實驗室綜合體有一個新租戶：一個重約 6,000 磅的工業(yè)機器人，能夠 3D 打印大型結構，使建筑更具可持續(xù)性。Charissa King-O'Brien/提供

土木和環(huán)境工程助理教授Sriramya Nair解釋說："我們正在給學生們一個新的機會，讓他們學習一些前沿的、正在發(fā)生的東西，他們知道的越多，就越能成為變革的倡導者，但也會發(fā)現(xiàn)局限性可能是什么�！�

在提到機器人系統(tǒng)本身時，她總結說："機器人系統(tǒng)是多功能的、靈活的。我們使用它的方式之一是混凝土的3D打印，但它也可以用于其他方面。例如，你可以附加一個焊接機或激光系統(tǒng)，你也可以堆砌磚塊或綁扎鋼筋，這里面的許多繁瑣過程都可以實現(xiàn)自動化"。

混凝土3D打印過程

混凝土打印的操作需要一個團隊的努力。一組人混合預先配料的砂漿并攪拌添加劑，例如降低混合物的水含量并改善其通過軟管的流動性的減水劑。另一組操作機器人的控制器來調(diào)節(jié)有多少混合物流過系統(tǒng)。當混合物到達機器人的擠出機頭和噴嘴時，會引入一種硬化添加劑，使材料在傾倒時變稠。

Strait 說：“底層需要足夠堅硬，以容納下一層正在打印的層。但它們不能太死板，以至于當你在上面打印下一層時，它不會粘在上面。你需要在那里粘合，但你不能讓它太軟以至于它會被壓扁�！痹撨^程是勞動密集型的，但如果成功完成，3D 打印消除了對鑄模的需求，并且還允許創(chuàng)建非常規(guī)的形狀，浪費了更少的材料。

“任何時候澆注混凝土，例如人行道，都必須設置模具。它需要勞動力、材料，所有的這些都需要花費很長時間。對混凝土結構每做一次改變，都必須修改模具或獲得一個新模具并花費勞動力來做這件事。相比之下，混凝土3D打印只需要在計算機程序上點擊一下就完成了。

Nair 計劃將該系統(tǒng)整合到她在秋季教授的新課程“可持續(xù)性和自動化：建筑業(yè)的未來”中，這將幫助學生為他們所在領域即將發(fā)生的變化做好準備。

目前，該系統(tǒng)是使用砂漿進行 3D 打印的，從技術上講，砂漿是一種聚合體尺寸達 4 毫米的糊狀物。任何比這更大的東西都可能堵塞和損壞泵系統(tǒng)。然而，Nair的團隊打算建造自己的擠出機頭來打印鋼纖維混凝土，這種混凝土使用更大的骨料，可以承受更重的負荷。這將為實驗室 3D 打印全橋組件并對其進行測試鋪平道路。

△由土木與環(huán)境工程助理教授 Sriramya Nair 領導的一個小組（左）準備在 Bovay 實驗室進行 3D 打印的砂漿。

Nair 還希望她的團隊能夠創(chuàng)建自己的混合物來打印，而不是依賴制造商的預混材料。她說：“這些材料的碳足跡現(xiàn)在非常高，”“所以這是另一個目標，即減少與 3D 打印材料相關的碳足跡�！�