波蘭研究人員探索3D打印建筑的自動(dòng)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(duì)3D打印建筑施工的自動(dòng)化進(jìn)行了研究，同時(shí)還研究了在混凝土混合料的流變特性方面改進(jìn)工藝的方法。

具體而言，該研究詳細(xì)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(dòng)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(fù)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(duì)使用混凝土3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)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(fèi)，并使用了具有較低體現(xiàn)能的原材料�！�

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(xiàng)目，與傳統(tǒng)的建筑過程相比，這使得能夠在短時(shí)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(jī)（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(bào)道，這套3D打印房屋的面積為1900平方英尺，耗時(shí)8天，打印時(shí)間總計(jì)48小時(shí)。

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(dòng)了一項(xiàng)旨在創(chuàng)建“世界上第一個(gè)” 3D打印混凝土房屋社區(qū)的計(jì)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(gè)項(xiàng)目都在大約24小時(shí)的打印時(shí)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(shí)，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(fù)荷增加與固化過程中已經(jīng)放置的層強(qiáng)度之間的相關(guān)性的重要性。作者進(jìn)一步解釋說：“從這個(gè)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(shí)為每一層獲得足夠的強(qiáng)度，該層需要以承受沉積在頂部的層所施加的負(fù)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(dòng)安裝。具體來說，該研究會(huì)調(diào)整墻的設(shè)計(jì)和打印過程，以考慮到新鮮混凝土的流變和機(jī)械性能以及自動(dòng)安裝過程。

研究人員旨在證明自動(dòng)化過程可以以高精度設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)已通過仿真證實(shí)。他們?cè)谝粋�(gè)專門設(shè)計(jì)的地點(diǎn)建造了墻，該地點(diǎn)包括一個(gè)與抽水模塊連接的3D機(jī)器人。 3D打印機(jī)和打印頭的運(yùn)動(dòng)是由G代碼控制的，而混合物是在實(shí)驗(yàn)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(duì)比例模型墻進(jìn)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(rèn)增材制造中自動(dòng)化墻構(gòu)造過程的可能性。還證明了該打印機(jī)可以在整個(gè)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(shí)，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(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以研究所需的混凝土混合物的機(jī)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(jìn)一步研究將導(dǎo)致設(shè)計(jì)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�！�

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