劍橋研究人員 3D 打印智能混凝土端墻，實(shí)現(xiàn)墻體結(jié)構(gòu)建造過程的數(shù)字孿生

基礎(chǔ)設(shè)施正在成為混凝土 3D 打印的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)展領(lǐng)域。2023年7月19日，南極熊獲悉，劍橋研究人員與 Versarien 等行業(yè)和專業(yè)公司合作，幫助開發(fā)了第一座用于國家高速公路項(xiàng)目的 3D打印混凝土基礎(chǔ)設(shè)施。這種3D 打印結(jié)構(gòu)（一種被稱為端墻的擋土墻）已安裝在康沃爾郡的 A30 高速公路上，由于嵌入其結(jié)構(gòu)中的劍橋設(shè)計(jì)的傳感器，它可以提供實(shí)時(shí)信息。這些傳感器提供最新的測(cè)量結(jié)果，包括溫度、應(yīng)變和壓力。墻壁的數(shù)字孿生可以幫助在故障發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)并糾正故障。

端墻結(jié)構(gòu)通常由預(yù)制混凝土制成有限的形狀，需要模板和大量的鋼筋。但通過使用 3D 打印，該團(tuán)隊(duì)（包括來自 Costain、Jacobs 和Versarien 的專家）可以設(shè)計(jì)和建造無需模板和鋼筋的彎曲空心墻。這堵墻的強(qiáng)度不是來自鋼材，而是來自幾何形狀。

這堵墻花了一小時(shí)打印而成，大約有兩米高、三米半寬。它是在格洛斯特郡先進(jìn)工程公司Versarien的總部使用基于機(jī)械臂的混凝土打印機(jī)打印的。使用 3D 打印制作墻壁可顯著節(jié)省成本、材料和碳排放。

在過去的六年里，工程系 Abir Al-Tabbaa 教授的團(tuán)隊(duì)一直在開發(fā)新的傳感器技術(shù)，并探索現(xiàn)有商業(yè)傳感器的有效性，以便從基礎(chǔ)設(shè)施中獲取更高質(zhì)量的信息。她的團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了各種“智能”自修復(fù)混凝土。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，他們提供了傳感器來測(cè)量打印過程中的溫度。

持續(xù)監(jiān)測(cè) 3D 打印墻壁不同層的溫度變化，以檢測(cè)任何潛在的熱點(diǎn)、熱梯度或異常情況。溫度數(shù)據(jù)將與相應(yīng)的熱成像剖面相關(guān)聯(lián)，以了解 3D 打印墻的熱行為。

Al-Tabbaa 說：“由于 3D 打印需要極速凝固的水泥，因此它也會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。我們將傳感器嵌入墻壁中，以在施工過程中測(cè)量溫度，現(xiàn)在我們可以在墻壁在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)從傳感器中獲取數(shù)據(jù)。”

除了溫度之外，傳感器還測(cè)量相對(duì)濕度、壓力、應(yīng)變、電阻率和電化學(xué)勢(shì)。這些測(cè)量為傳感器的可靠性、穩(wěn)健性、準(zhǔn)確性和壽命提供了寶貴的見解。

△Versarien 工廠的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

激光雷達(dá)系統(tǒng)還用于在打印時(shí)掃描墻壁，以創(chuàng)建 3D 點(diǎn)云并生成墻壁的數(shù)字孿生體。

Versarien 研究團(tuán)隊(duì)表示：“讓墻數(shù)字化意味著它可以自己說話，我們可以使用我們的傳感器更好地了解這些 3D 打印結(jié)構(gòu)并加速它們?cè)谛袠I(yè)中的接受度�！�

劍橋團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種稱為 PZT（壓電陶瓷鉛鋯鈦酸鹽）傳感器的傳感器，它可以測(cè)量機(jī)電阻抗響應(yīng)并監(jiān)控這些測(cè)量值隨時(shí)間的變化，以檢測(cè)任何可能的損壞。這些智能傳感器可以顯示 3D 打印砂漿如何隨著時(shí)間的推移而硬化，同時(shí)監(jiān)控主體結(jié)構(gòu)的健康狀況。

在 3D 打印過程中，八個(gè) PZT 傳感器被嵌入墻層的不同位置，以捕獲施工過程中和現(xiàn)場(chǎng)安裝后的使用壽命期間的負(fù)載和應(yīng)變情況。

該團(tuán)隊(duì)包括智能材料、自動(dòng)化、機(jī)器人和數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域的專家，還開發(fā)了定制的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這使得能夠從劍橋遠(yuǎn)程收集嵌入式傳感器的多頻機(jī)電響應(yīng)數(shù)據(jù)。

Tabbaa 教授表示：“這個(gè)項(xiàng)目將作為一個(gè)活生生的實(shí)驗(yàn)室，在其生命周期內(nèi)生成有價(jià)值的數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)和‘?dāng)?shù)字孿生’將幫助基礎(chǔ)設(shè)施專業(yè)人士更好地了解如何使用和定制 3D 打印技術(shù)，為戰(zhàn)略道路網(wǎng)絡(luò)打印更大、更復(fù)雜的水泥建筑結(jié)構(gòu)�！�

項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)成員包括來自劍橋大學(xué)的 Sripriya Rengaraju 博士、Christos Vlachakis 博士、Yen-Fang Su 博士、Damian Palin 博士、Hussam Taha 博士、Richard Anvo 博士和 Lilia Potseluyko 博士；以及 Costain 材料主管 Bhavika Ramrakhyani（工程系兼職博士生）和 Versarien 建筑創(chuàng)新主管 Ben Harries（也將于 10 月開始在工程系攻讀兼職博士學(xué)位）。

劍橋團(tuán)隊(duì)的工作是生命彈性材料計(jì)劃和未來數(shù)字之路計(jì)劃的一部分。該研究得到了英國研究與創(chuàng)新部 (UKRI) 旗下工程和物理科學(xué)研究委員會(huì) (EPSRC) 以及歐盟的部分支持。