建造

苏黎世ETH开发“蛋壳”混凝土3D打印方法制造“未来树”

研究人员埃尔希希瑞士将3D打印与浇铸方法相结合,设计出一种“蛋壳状”混凝土3D打印工艺。

将大规模机器人融合沉积建模(FDM)3D打印与快速硬化,置换套路混凝土同时铸造,使团队以更具物质的方式生产复杂的结构。此外,在连续过程中施放快速硬化混凝土最小化材料上的横向压力,允许在复杂的几何形状产生印刷的混凝土雕塑。

使用这种技术,并与德国工程公司合作巴斯勒和霍夫曼,苏黎世队“在公司总部的庭院中”种植了“未来树”。此混凝土模型除了团队生产的其他组件外,还可以指示具体架构中大规模定制和结构优化过程的潜力。

研究人员表示:“这种新颖的制造工艺,被称为“蛋壳”,允许制造非标准的、结构优化的混凝土结构,同时能够整合标准钢筋,最大限度地减少模板浪费。”

“作为第一个使用这种制造方法的建造实例,它表明非标准的混凝土结构可以高效、经济和可持续地制造。”

为什么需要一种新颖的混凝土3D打印过程?

混凝土是世界上最常用的建筑材料。为了使混凝土以施工设置印刷的3D,需要通过从流体材料转换成固体的模板来支持。这可能是昂贵的,构成材料的成本高达50%,甚至是非标准元素的80%至90%。

因此,尽管混凝土理论上可以被塑造成几乎任何形式,标准的、正交的结构仍然是标准。这意味着这些建筑使用了比实际需要更多的材料,从而为开发替代方法创造了机会。虽然FDM 3D打印技术在建筑应用中表现出了良好的前景,但该方法的速度、规模以及无法产生薄而脆弱的打印结构来固定新混凝土的能力,阻碍了其广泛应用。

已经从“轮廓制作”技术开发,具体的3D印刷仍然是许多研究机构的持续研究领域。尽管如此,根据苏黎世团队,这些方法也存在问题,因为冷关节发生在印刷混凝土层之间,并且在这种印刷结构中仍然难以整合加固。这些问题的混凝土3D打印的实施有限,对非承重结构或丢失的模板。

早在2014年,苏黎世的一个研究团队开发了智能动态铸造(SDC)方法,提供了一种不同的方法。通过采用数字浇注工艺和控制混凝土水化,移动模板出口的材料能够承载上述材料的荷载。虽然这一过程比以前的方法更快,但由于动态移动模板需要复杂的机械驱动,它能够产生的几何形状范围仍然有限。

苏黎世联邦理工学院的研究人员用蛋壳法(如图)制作了三个3D打印的混凝土结构。照片通过Eth苏黎世。
Eth苏黎世研究人员的蛋壳法(如图)用于制造三个3D印刷混凝土结构。照片通过Eth苏黎世。

苏黎世蛋壳方法

现代苏黎世团队在消除其缺点时试图利用SDC过程的好处,设计了他们的蛋壳概念。新颖的技术将大规模的机器人FDM 3D打印合并了在SDC中开发的按需数字铸造系统合并。这允许使用薄的单层外壳创建更复杂的结构作为模板。

研究人员解释说:“通过打印模板,而不是像SDC那样驱动模板,可以产生更广泛的几何形状,而不会失去在结构建筑构件中包含传统加固的优势。”此外,同时3D打印和填充模板意味着结构在制造过程中不需要移动,从而减少运输过程中造成损坏的风险。

为了测试他们新发明的添加技术,苏黎世大学的研究人员提出了一个分支柱、扭曲柱和“未来树”的概念。为了创建这些混凝土结构,该团队使用了一个由定制开发的Python接口控制的机械臂,基于预先编程的CAD文件构建柱子。在每条手臂的末端都安装一台自制的纤维挤出机,机器人就能够3D打印出模板。

整个过程的浇筑过程中,团队共搅拌了8个小时的混凝土,然后使用定制的加速剂混合剂简单地激活它。一旦混合物被3D打印出来,研究人员试验了一系列的解决方案来支撑他们的混凝土柱。这些方法包括添加到混凝土基质中,在浇铸层之间放置钩状纤维,以及应用后安装的装配式管道,但他们得出的结论是,只有结合这些方法才能获得最佳效果。

苏黎世联邦理工学院团队与德国Basler & Hofmann公司的工程师合作,为公司总部3D打印了一棵“未来树”。照片通过Eth苏黎世。
Eth苏黎世队与德国公司Basler&Hofmann的工程师合作,为公司总部打印了“未来树”。照片通过Eth苏黎世。

3D印刷混凝土柱和“未来树”

虽然发现所得柱在一次或两个小时内自支撑,但苏黎世团队发现将结构进一步留下了三天,导致更好的固化条件。在最终形式中,混凝土结构在其层之间没有显示冷关节,并且更复杂的双柱展示了制造更复杂几何形状的过程的能力。

除了混凝土柱,该团队还创造了一个更大规模的树状结构,绰号“未来之树”。研究人员与德国工程公司Basler & Hofmann合作,利用蛋壳过程和一些木材元素的组合,作为一个互惠框架,建造了这棵树。覆盖1152平方英尺(107平方米)的天篷由380个乙酰化木材元素组成,这些元素通过螺丝钉连接在附近的建筑两侧。它们由树的混凝土“干”支撑,“干”固定在两侧附近的建筑上,并悬挑在对面的角落。

“这里,通过框架的结构行为激励,蜂窝图案在六边形和三角形之间逐渐变换,以便在框架的不同区域中实现不同水平的弯曲刚度,”树的设计师说明。“悬臂上越来越多的三角形配置使得该区域更硬,局部地减少结构变形。”

总的来说,苏黎世团队所承认的是,需要制定更快的方法,以防止他们的创作联合干燥。此外,研究人员正在努力自动化过程并利用更多可回收材料,使方法更加可持续和经济上可行。尽管如此,它们仍然相信其更先进的蛋壳方法可以在各种建筑应用中使用。

“随着研究的进展和过程稳定和流线型,所产生的建筑部件的范围可以延伸到梁,地板或连接和过渡元件,铺平了混凝土建筑的可持续大规模定制方式,”苏黎世研究人员结束。

混凝土施工和3D印刷业爱游戏备用网址

混凝土3D打印技术已经开始引起世界各地一系列公司和研究机构的关注。新加坡的科学家们南洋科技大学例如,南洋理工大学(NTU)已经开发出了一种单机器人3D打印平台用于创建混凝土结构。通过采用打印次移动方法,团队的机器人臂能够自行打印大型结构。

U.S-based混凝土专家Quikrete.轮廓制作公司(CC CORP)与此同时,已兼职3D打印一系列混凝土建筑物在美国周围。该项目的目标是建立低收入住房和救灾设施。

的工程师普渡大学另一方面,已经开始研究一种方法3D打印混凝土风力涡轮机零件用于离岸使用。PURDUE研究旨在将3D打印钢风涡轮机锚在混凝土中,以降低相关的运输和生产成本。

研究人员的调查结果在题为“蛋壳:用于混凝土结构的超薄三维印刷模板。“该报告由Joris Burger,Ena Lloret-Fritschi,Fabio Scotto,Thibault Demoulin,Lukas Gebhard,Jaime Mata Falcon,Fabio Gramazio,Matthias Kohler和Robert J. Flatt进行了共同撰写。

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图片展示了苏黎世联邦理工学院团队和德国Basler & Hofmann公司的工程师建造的“未来树”。照片通过Eth苏黎世。