康奈爾大學(xué)為學(xué)生開設(shè)混凝土3D打印課，探尋建筑如何經(jīng)受時(shí)間考驗(yàn)

2022年5月14日，南極熊獲悉，位于紐約康奈爾大學(xué)瑟斯頓大廳地下室的Bovay民用基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)驗(yàn)綜合大樓最近購買了一臺(tái)工業(yè)3D打印機(jī)器人。這臺(tái)大約6000磅重的機(jī)器有能力3D打印出大型結(jié)構(gòu)，有可能在未來改變建筑業(yè)。

△Boyay實(shí)驗(yàn)室技術(shù)服務(wù)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(lǐng)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(yīng)用于未來的項(xiàng)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(xué)行業(yè)的重要組成部分。然而，當(dāng)涉及到混凝土打印領(lǐng)域時(shí)，增材制造的狀況還沒有像其他領(lǐng)域那樣先進(jìn)。雖然許多項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)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(jié)構(gòu)在未來幾年將如何經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)。

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(xué)最近購買了這個(gè)重量級的機(jī)器人，這將幫助他們在混凝土3D打印領(lǐng)域進(jìn)行研究。康奈爾大學(xué)土木與環(huán)境工程教授德里克-華納說："機(jī)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(lǐng)域，無論是在科學(xué)和研究方面，或是在技術(shù)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(shù)進(jìn)行早期擴(kuò)展時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)未知的驚喜�！�

創(chuàng)新的工業(yè)機(jī)器人

如前所述，這臺(tái)名為IRB 6650S的3D打印機(jī)器人重約6000磅，令人印象深刻的是他裝配由約13英尺的機(jī)械臂，同時(shí)還在一條橫跨約12英尺的軌道上�？的螤柎髮W(xué)擁有這臺(tái)高科技機(jī)器，它于2月初抵達(dá)實(shí)驗(yàn)室綜合大樓，從而獲得了許多研究機(jī)會(huì)，在全球只有極少數(shù)教育機(jī)構(gòu)擁有。除此之外，該系統(tǒng)還將使工程學(xué)院的學(xué)生能夠進(jìn)行機(jī)器人建筑研究，使他們在該領(lǐng)域獲得第一手的經(jīng)驗(yàn)。

△Bovay民用基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室綜合體有一個(gè)新租戶：一個(gè)重約 6,000 磅的工業(yè)機(jī)器人，能夠 3D 打印大型結(jié)構(gòu)，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(xué)生們一個(gè)新的機(jī)會(huì)，讓他們學(xué)習(xí)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(dǎo)者，但也會(huì)發(fā)現(xiàn)局限性可能是什么�！�

在提到機(jī)器人系統(tǒng)本身時(shí)，她總結(jié)說："機(jī)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(gè)焊接機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化"。

混凝土3D打印過程

混凝土打印的操作需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)的努力。一組人混合預(yù)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(dòng)性的減水劑。另一組操作機(jī)器人的控制器來調(diào)節(jié)有多少混合物流過系統(tǒng)。當(dāng)混合物到達(dá)機(jī)器人的擠出機(jī)頭和噴嘴時(shí)，會(huì)引入一種硬化添加劑，使材料在傾倒時(shí)變稠。

Strait 說：“底層需要足夠堅(jiān)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(dāng)你在上面打印下一層時(shí)，它不會(huì)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(huì)被壓扁�！痹撨^程是勞動(dòng)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(fèi)了更少的材料。

“任何時(shí)候澆注混凝土，例如人行道，都必須設(shè)置模具。它需要?jiǎng)趧?dòng)力、材料，所有的這些都需要花費(fèi)很長時(shí)間。對混凝土結(jié)構(gòu)每做一次改變，都必須修改模具或獲得一個(gè)新模具并花費(fèi)勞動(dòng)力來做這件事。相比之下，混凝土3D打印只需要在計(jì)算機(jī)程序上點(diǎn)擊一下就完成了。

Nair 計(jì)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(dòng)化：建筑業(yè)的未來”中，這將幫助學(xué)生為他們所在領(lǐng)域即將發(fā)生的變化做好準(zhǔn)備。

目前，該系統(tǒng)是使用砂漿進(jìn)行 3D 打印的，從技術(shù)上講，砂漿是一種聚合體尺寸達(dá) 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(tuán)隊(duì)打算建造自己的擠出機(jī)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(fù)荷。這將為實(shí)驗(yàn)室 3D 打印全橋組件并對其進(jìn)行測試鋪平道路。

△由土木與環(huán)境工程助理教授 Sriramya Nair 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組（左）準(zhǔn)備在 Bovay 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行 3D 打印的砂漿。

Nair 還希望她的團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建自己的混合物來打印，而不是依賴制造商的預(yù)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(gè)目標(biāo)，即減少與 3D 打印材料相關(guān)的碳足跡�！�