L'impression 3D à grande échelle dans la construction : Technologies et tendances

Explorez l'impact transformateur de l'impression 3D à grande échelle dans l'industrie de la construction. Cet article complet examine les imprimantes à bras robotisé et à portique, les matériaux clés et les étapes du processus d'impression, en mettant en évidence les innovations et les défis futurs de la technologie de la construction.

Impression 3D à grande échelle : Innovations dans le domaine de la construction et des infrastructures

L'article couvre plusieurs sections clés liées à l'impression 3D à grande échelle dans la construction. Il commence par une introduction qui souligne l'importance et les tendances actuelles du secteur. Il détaille ensuite les types d'imprimantes 3D à grande échelle, notamment les imprimantes à bras robotisé et les imprimantes à portique, ainsi que leurs avantages et leurs limites. La discussion porte ensuite sur les matériaux utilisés Impression 3D dans la construction, y compris divers matériaux cimentaires, des alliages métalliques pour le WAAM et des matériaux d'impression composites émergents.

L'impression 3D s'impose comme une innovation progressive dans le secteur habituellement lent de la construction. En automatisant les processus et en ouvrant de nouvelles perspectives de planification, l'impression 3D vise à raccourcir les délais, à réduire les déchets et à rendre la construction plus productive et plus durable en général. Cet article vise à donner un aperçu des effets transformateurs des procédures d'impression 3D à grande échelle pour les applications de construction. Il examine l'état actuel des progrès, les orientations pour l'avenir et les difficultés inhérentes.

Types d'imprimantes 3D à grande échelle dans le secteur de la construction

A grande échelle Imprimantes 3D utilisées dans l'industrie de la construction peuvent être classées en deux catégories : les imprimantes à bras robotisé et les imprimantes à portique. Ces deux types d'imprimantes utilisent la fabrication de substances ajoutées pour assembler des éléments de construction couche par couche à partir de matériaux cimentaires.

Imprimantes 3D à bras robotisé

Le bras robotique pour l'impression 3D à grande échelle se compose d'un contrôleur robotique multi-pivot équipé d'une tête d'impression. Le bras robotique offre une grande aptitude et une grande flexibilité grâce à ses 6 niveaux d'opportunité. Il permet de réaliser des formes mathématiques plus complexes que les portiques conventionnels à trois moyeux. Un exemple courant est celui d'une machine de construction équipée d'une pompe à béton mobile servant de tête d'impression. Le système d'alimentation en béton et la tête d'impression sont montés sur la machine, la flèche faisant office de bras robotique contrôlé à l'aide de L'impression 3D dans le prototypage algorithmes. Plusieurs entreprises comme Apis Cor utilisent également des bras robotisés installés sur une plate-forme mobile.

Cela permet la mobilité de l'impression pour les structures à plusieurs éléments. Cependant, le contrôle et la qualité peuvent poser des problèmes car le robot se déplace également pendant l'impression. Pour augmenter l'échelle, plusieurs robots peuvent collaborer, comme l'ont démontré Zhang et al. Chaque plateforme montée sur un robot effectue des tâches d'impression discrètes de manière synchronisée. Les mouvements sans collision sont assurés par un logiciel de planification de trajectoire coordonnée. L'une des difficultés réside dans le fait que la zone d'impression est plus petite et limitée par la portée du robot. Pour y remédier, Keating et al. ont monté un bras sur une base mobile à chenilles, ce qui permet une fabrication autonome sur place.

Imprimantes 3D à portique

Les imprimantes à portique sont l'option la plus étudiée pour l'impression 3D à grande échelle dans le secteur de la construction. Contour Crafting a été l'un des premiers à utiliser plusieurs portiques. Une conception typique implique une poutre horizontale mobile portant la tête d'impression, se déplaçant le long de rails ou de colonnes fixes dans les axes X, Y. Les imprimantes de l'université de Loughborough et de Spetsavia, capables d'imprimer des bâtiments entiers, en sont des exemples. Les configurations modulaires telles que la BOD2 de COBOD et la Crane WASP de WASP augmentent encore l'échelle. De multiples unités interchangeables s'assemblent selon les besoins, avec des tailles de construction théoriquement illimitées. Les imprimantes à portique offrent des avantages tels qu'un contrôle plus simple, une plus grande précision et la possibilité d'utiliser des agrégats grossiers dans les mélanges de béton. Cependant, leur mobilité limitée nécessite un assemblage/désassemblage sur site à chaque nouvel emplacement de construction.

Matériaux de construction Impression 3D

Pour les constructions imprimées en 3D à grande échelle, les principaux matériaux imprimables sont les matériaux cimentaires et les matériaux de construction. alliages métalliques. En outre, les techniques d'impression composites combinant ces deux types d'éléments font également l'objet d'une attention particulière.

Matériaux cimentaires

Les matériaux couramment utilisés pour l'impression 3D de construction avec du béton comprennent le béton de ciment, le géopolymère, le béton renforcé de fibres, etc. Le béton de ciment est le matériau le plus étudié pour l'impression 3D à grande échelle. Cependant, pour obtenir les propriétés rhéologiques requises pour l'impression, les agrégats traditionnels sont souvent remplacés par des alternatives plus fines comme le sable. Cela réduit la susceptibilité à la fissuration par retrait, mais conduit à des composites plus faibles. Les géopolymères sont des liants à base de silicate d'aluminium qui peuvent remplacer une partie du ciment.

Matériaux métalliques pour le WAAM

L'impression 3D à grande échelle utilise le processus de fabrication de substances ajoutées par fil et par pliage (WAAM). Les métaux habituellement traités sont les préparations inoxydables, les combinaisons de titane et l'aluminium. Le procédé WAAM a été utilisé pour produire des composants primaires pour l'industrie de la construction.

Matériaux composites pour l'impression 3D

La recherche explore les matériaux cimentaires renforcés par des fibres, des câbles d'acier ou des microcâbles. Une approche prometteuse combine le béton Matériaux d'impression 3D autour d'une structure en acier construite à l'aide de bras robotisés. Toutefois, la gestion de la chaleur pose des problèmes d'intégration. Cette section fournit des descriptions détaillées des principaux matériaux utilisés pour l'impression 3D dans le secteur de la construction.

Le processus d'impression 3D

Tout processus d'impression 3D à grande échelle pour la construction comprend le développement de modèles, la production/transport de matériaux, le dépôt de couches et le contrôle de la qualité.

Création de modèles

Le modèle numérique est découpé en couches non planes en utilisant la continuité tangentielle pour une transition plus douce entre les couches d'épaisseur variable, en utilisant pleinement les capacités de Impression 3D de métal technologies de l'information et de la communication. Cette stratégie permet de maintenir des surfaces de contact constantes entre les couches.

Production et transport de matériaux

Pour l'impression sur site à grande échelle, le béton est généralement livré prêt à l'emploi à partir de centrales à béton afin d'éviter les interruptions. Cependant, un mélange supplémentaire peut être nécessaire après le transport et de préférence après le pompage pour obtenir une rhéologie optimale. Des accélérateurs peuvent être introduits juste avant l'extrusion.

Dépôt de couches

Dans les imprimantes à portique, la tête d'impression dépose le matériau le long de trajectoires d'outils en fonction du modèle en tranches, construisant ainsi des couches successives. Les imprimantes robotisées extrudent le matériau à l'aide d'un effecteur le long de trajectoires programmées. Outillage pour l'impression 3D La vitesse de rotation, l'épaisseur de la couche et l'écoulement du matériau affectent la précision géométrique et le développement de la résistance. La rétroaction continue permet de contrôler la rhéologie en temps réel.

Contrôle de la qualité

Cela implique le contrôle des propriétés à l'état frais et à l'état durci. La rhéologie est cruciale et évaluée en ligne, par exemple par la quantification de l'énergie d'extrusion. Des capteurs contrôlent les dimensions, l'homogénéité et le durcissement. Les essais non destructifs évaluent les performances mécaniques. Les données et les simulations de processus permettent d'affiner les conceptions et les stratégies de mélange. Le contrôle de la qualité ferme la boucle de rétroaction entre la conception et la fabrication.

Autres considérations

Pour les projets de grande envergure, une planification préalable approfondie tient compte de la logistique de livraison des matériaux. L'assemblage des composants peut suivre l'impression monolithique. Les approches hybrides intègrent l'impression 3D à grande échelle dans la construction de coffrages. Le conditionnement de l'environnement et le dosage des accélérateurs nécessitent une évaluation.

Propriétés mécaniques

Le comportement mécanique des Impression 3D durable Les éléments de construction présentent une anisotropie due à la fabrication par couches. En outre, les imprécisions géométriques dues au processus d'impression introduisent des variables supplémentaires.

Propriétés de résistance

La résistance à la compression est la plus élevée longitudinalement le long des couches imprimées en raison des pressions de consolidation. La résistance diminue latéralement et se réduit perpendiculairement aux couches qui subissent le moins de durcissement confiné. Des tendances similaires affectent le comportement en flexion. Les essais montrent une résistance minimale perpendiculairement aux couches imprimées où le béton frais se tasse le plus librement avant de se solidifier. Sans contrainte latérale ou renforcement, le tassement affaiblit la cohérence entre les couches. L'anisotropie de la résistance dépasse 10% dans les différentes orientations de la construction. L'inclusion de fibres atténue ce phénomène en répartissant uniformément les contraintes. La conception structurelle doit tenir compte de la directionnalité de la résistance plutôt que de supposer une isotropie.

Impression 3D de matériaux composites

Les mélanges d'impression 3D renforcés, tels que le béton microcâblé, sont plus performants que les pâtes cimentaires ordinaires. Les microcâbles limitent la fissuration et empêchent l'écaillage en cas d'impact. Les composites exploitent la synergie renfort/matrice, optimisant les propriétés pour les rôles structurels. Les pâtes chargées en fibres résistent plus de charge que les équivalents coulés ou extrudés, ce qui prouve la supériorité de la liaison interfaciale. Les composites permettent l'impression 3D à grande échelle pour des applications structurelles exigeantes traditionnellement réservées à la construction conventionnelle.

Conclusion

En conclusion, cet article a fourni un examen approfondi de l'impact et des progrès des technologies d'impression 3D à grande échelle dans l'industrie de la construction. Un aperçu détaillé a été donné des principaux types d'imprimantes - bras robotisé et systèmes à portique - en soulignant leurs principes de fonctionnement distincts, leurs exemples et leurs avantages/limites. L'étude a également analysé les principaux matériaux imprimables visés par la recherche sur l'impression 3D dans le secteur de la construction - les compositions cimentaires pour l'impression du béton ainsi que les alliages métalliques ciblés dans la fabrication additive par arc électrique. Les approches de renforcement des composites ont également été abordées.

Dans l'ensemble, l'étude souligne le rôle influent de l'impression 3D à grande échelle dans la propulsion de l'innovation en matière de construction, offrant une efficacité accrue, une personnalisation et un potentiel de préfabrication hors site. Toutefois, les défis liés à l'imprévisibilité géométrique, à la non-uniformité et à la caractérisation du comportement à long terme nécessitent des efforts ciblés pour maximiser sa faisabilité et ses avantages à grande échelle. Au fur et à mesure que les technologies mûrissent, l'utilisation de l'impression 3D Le rôle de catalyseur de l'évolution future de l'environnement bâti devrait encore s'amplifier.

FAQ

Q : Quels sont les principaux types d'imprimantes 3D utilisés dans la construction à grande échelle ?

R : L'article examine que l'impression 3D à grande échelle peut être principalement classée en imprimantes à bras robotisé ou imprimantes à portique. Les imprimantes à bras robotisé utilisent un contrôleur robotisé à plusieurs pôles avec une tête d'impression, tandis que les imprimantes à portique utilisent une tête d'impression installée sur une barre plate mobile.

Q : Quels sont les matériaux qui peuvent être imprimés en 3D pour des applications de construction ?

R : Les principaux matériaux imprimables examinés sont les matériaux cimentaires pour l'impression substantielle, ainsi que les composites métalliques traités au moyen de la fabrication de substances ajoutées par pliage de fil (WAAM). Des approches de renforcement des composites combinant ces deux types de matériaux sont également en train d'émerger.

Q : Quelles sont les avancées normales d'un processus d'impression 3D à grande échelle pour la construction ?

R : Les principales étapes décrites sont la création de modèles informatisés, la création/transport de matériaux, l'indication des couches et le contrôle de la qualité des propriétés nouvelles et solidifiées.

Q : Quels sont les avantages de l'impression 3D pour la construction ?

R : Parmi les avantages présentés figurent la mécanisation, la possibilité de planifier, les délais raccourcis, la diminution du gaspillage, le développement durable et la réduction potentielle des dépenses par rapport aux techniques habituelles.

Q : Quelles sont les difficultés rencontrées par l'impression 3D dans le domaine de la construction à grande échelle ?

R : Les restrictions examinées concernent les contraintes d'échelle, l'utilisation totale grossière, les besoins de normalisation, les propriétés anisotropes et la caractérisation de la conduite sur longue distance.

Q : Quel est l'avenir de cette innovation dans le domaine de la construction ?

R : Son rôle dans la promotion de l'innovation par le biais d'une efficacité accrue, de la personnalisation et de la fabrication hors site est censé s'accroître à mesure que les progrès évoluent et que les défis sont relevés.