蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院創(chuàng)新沖擊3D打印技術(shù)：正積極推動(dòng)建筑可持續(xù)發(fā)展

2024年11月1日，南極熊獲悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員宣布了一項(xiàng)重大技術(shù)突破，他們開發(fā)了一種名為“沖擊打印”的新型建筑機(jī)器人技術(shù)。通過利用地球上的材料，如沙子、淤泥、粘土和礫石，構(gòu)建出可持續(xù)的建筑結(jié)構(gòu)。這一創(chuàng)新方法旨在減少建筑行業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)提供一種成本效益更高的建筑解決方案。

△現(xiàn)場(chǎng)圓形機(jī)器人施工示例

沖擊打印利用本地可回收材料，這些材料不僅成本低廉，而且易于獲取。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的SNSF Bridge研究員Lauren Vasey領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種機(jī)器人工具和方法，可以將建筑工地挖掘出的材料轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的建筑產(chǎn)品。

Vasey解釋說：“沖擊打印技術(shù)通過一種獨(dú)特的材料處理方法，將傳統(tǒng)建筑廢棄物轉(zhuǎn)化為有用的建筑材料。這不僅減少了建筑廢料的產(chǎn)生，還降低了對(duì)傳統(tǒng)材料的依賴，從而降低了整個(gè)建筑過程的碳足跡�！�

△研究已發(fā)表在Springer Nature雜志上，題目為“圓形機(jī)器人建造”（傳送門）

沖擊打印的工作原理

與傳統(tǒng)3D打印不同，沖擊打印技術(shù)采用的是幾乎不需要使用額外的添加劑。此方法首先將挖掘出的材料混合，以形成細(xì)顆粒和粗顆粒的平衡組合，確保材料的穩(wěn)定性和易用性。在這種混合物中，粘土等細(xì)顆粒材料充當(dāng)粘合劑，而沙子和礫石等粗顆粒材料則增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這種混合物設(shè)計(jì)得能夠有效通過機(jī)器人系統(tǒng)，避免堵塞問題。

沖擊式打印過程以數(shù)字藍(lán)圖為起點(diǎn)，機(jī)器人工具根據(jù)藍(lán)圖構(gòu)建結(jié)構(gòu)。這些工具安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，以每秒32英尺（約10米）的速度沉積材料，無需水泥即可實(shí)現(xiàn)材料層的粘合。

△沖擊打印不采用額外添加劑進(jìn)行建筑制造

Vasey指出，這種技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了一種初始強(qiáng)度超過28 kPa的材料，這使得它在強(qiáng)度增益方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前，團(tuán)隊(duì)成功建造了高達(dá)6.5英尺（約2米）的墻壁，能夠支撐類似結(jié)構(gòu)的負(fù)載，而無需額外的化學(xué)穩(wěn)定劑。

雖然這種材料的抗壓強(qiáng)度約為2兆帕（MPa），低于典型混凝土，但強(qiáng)度足以建造墻壁，并可支撐高達(dá)兩層樓的建筑物。

△利用當(dāng)?shù)睾驮倮�用材料進(jìn)行機(jī)器人土方工程

環(huán)境和經(jīng)濟(jì)考慮

傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)以減少勞動(dòng)力成本和降低住房成本而備受關(guān)注。然而，這一方法通常依賴于水泥，一種導(dǎo)致全球約8%的二氧化碳排放量的材料以及不可回收的添加劑。

Vasey指出，盡管目前的沖擊打印技術(shù)中加入了少量（1-2%）的礦物穩(wěn)定劑，但團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是在未來徹底淘汰這些添加劑，實(shí)現(xiàn)一種完全循環(huán)的方法。這種方法將使材料能夠在未來的建筑中被重新利用，避免產(chǎn)生垃圾填埋場(chǎng)的廢物。

他解釋道，盡管3D打印技術(shù)可以將材料精確地放置在所需的位置，但它通常需要大量使用砂漿、添加劑和促進(jìn)劑。這些成分的組合往往會(huì)導(dǎo)致單位體積二氧化碳排放量顯著增加。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)正致力于將沖擊式打印技術(shù)推向市場(chǎng)，通過預(yù)制設(shè)施生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)施工所需的部件。預(yù)計(jì)，研究人員將在一年內(nèi)成立一家初創(chuàng)企業(yè)，并在三年內(nèi)將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。若能成功實(shí)施，沖擊式打印技術(shù)將為建筑領(lǐng)域提供一種可持續(xù)的3D打印替代方案，同時(shí)解決環(huán)境和成本問題。