Stampa 3D su larga scala nell'edilizia: Tecnologie e tendenze

Esplori l'impatto trasformativo della stampa 3D su larga scala nel settore delle costruzioni. Questo articolo completo esamina le stampanti a braccio robotico e a portale, i materiali chiave e le fasi del processo di stampa, evidenziando le innovazioni e le sfide future della tecnologia edile.

Stampa 3D su larga scala: Innovazioni nell'edilizia e nelle infrastrutture

L'articolo copre diverse sezioni chiave relative alla stampa 3D su larga scala nell'edilizia. Inizia con un'introduzione che delinea l'importanza e le tendenze attuali del settore. In seguito, vengono illustrati i tipi di stampanti 3D di grandi dimensioni, evidenziando le stampanti a braccio robotico e a portale, con i loro vantaggi e limiti. La discussione si sposta poi sui materiali utilizzati Stampa 3D nell'edilizia, tra cui vari materiali cementizi, leghe metalliche per WAAM e materiali di stampa compositi emergenti.

La stampa 3D sta emergendo come un'innovazione progressiva nel settore delle costruzioni, solitamente lento. Automatizzando i processi e consentendo nuove prospettive di progettazione, la stampa 3D si propone di abbreviare le tempistiche, ridurre gli sprechi e rendere l'edilizia più produttiva e sostenibile in generale. Questo articolo intende fornire una panoramica degli effetti trasformativi delle procedure di stampa 3D su larga scala per le applicazioni edilizie. Esamina lo stato attuale dei progressi, le direzioni per il futuro e le difficoltà intrinseche.

Tipi di stampanti 3D di grandi dimensioni nell'edilizia

Su larga scala Stampanti 3D utilizzate nell'industria edile possono essere ordinate principalmente in due classi: stampanti a braccio robotico e stampanti a portale. Questi due tipi utilizzano la produzione di sostanze aggiunte per assemblare i componenti edilizi strato per strato da materiali cementizi.

Stampanti 3D a braccio robotico

Il braccio robotico per la stampa 3D su larga scala comprende un controller robotico multi-pivot dotato di una testa di stampa. Il braccio robotico offre un'elevata attitudine e flessibilità grazie ai suoi 6 livelli di opportunità. Questo prende in considerazione la possibilità di realizzare forme matematiche più intricate, a differenza delle strutture tradizionali a 3 cavalletti. Un tipo comune è quello di una macchina edile retrofittata con una pompa per calcestruzzo mobile che funge da testa di stampa. Il sistema di erogazione del calcestruzzo e la testina di stampa sono montati sulla macchina, con il braccio che funge da braccio robotico controllato tramite il sistema di stampa. La stampa 3D nella prototipazione algoritmi. Diverse aziende come Apis Cor utilizzano anche bracci robotici installati su una piattaforma mobile.

In questo modo si ottiene la mobilità di stampa per le strutture a più unità. Tuttavia, il controllo e la qualità possono essere problematici, in quanto il robot si muove anche durante la stampa. Per aumentare la scala, più robot possono collaborare, come dimostrato da Zhang et al. Ogni piattaforma montata su robot esegue compiti di stampa discreti in sincronia. Il movimento senza collisioni è garantito da un software di pianificazione del percorso coordinato. Una sfida è rappresentata dalla minore area stampabile limitata dalla portata del robot. Per superare questo problema, Keating et al. hanno montato un braccio su una base mobile cingolata, consentendo la fabbricazione autonoma in loco.

Stampanti 3D a portale

Le stampanti a portale sono l'opzione più studiata per la stampa 3D su larga scala nell'edilizia. Contour Crafting è stato uno dei primi pionieri, utilizzando più ponti aerei. Un design tipico prevede una trave mobile orizzontale che trasporta la testina di stampa, che si muove lungo binari o colonne fisse negli assi X e Y. Tra gli esempi vi sono le stampanti dell'Università di Loughborough e di Spetsavia, in grado di stampare edifici interi. Le configurazioni modulari come il BOD2 di COBOD e la Crane WASP di WASP aumentano ulteriormente la scala. Più unità intercambiabili si assemblano secondo le necessità, con dimensioni di costruzione teoricamente illimitate. Le stampanti a portale offrono vantaggi come un controllo più semplice, una maggiore precisione e la possibilità di utilizzare aggregati grossolani nelle miscele di calcestruzzo. Tuttavia, la mobilità limitata richiede l'assemblaggio/smontaggio in loco in ogni nuova posizione di costruzione.

Materiali per la stampa 3D da costruzione

Per la costruzione con stampa 3D su larga scala, i materiali stampabili principali sono i materiali cementizi e i materiali per l'edilizia. leghe metalliche. Inoltre, anche le tecniche di stampa composite che le combinano stanno guadagnando attenzione.

Materiali cementizi

I materiali comunemente utilizzati per la stampa 3D edile con il calcestruzzo includono il calcestruzzo cementizio, il geopolimero, il calcestruzzo fibrorinforzato, ecc. Il calcestruzzo cementizio è il materiale più studiato per la stampa 3D su larga scala. Tuttavia, per ottenere le proprietà reologiche richieste per la stampa, gli aggregati tradizionali vengono spesso sostituiti con alternative più fini, come la sabbia. Questo riduce la suscettibilità alle crepe da ritiro, ma porta a compositi più deboli. I geopolimeri sono leganti di alluminio-silicato che possono sostituire una parte del cemento.

Materiali metallici per WAAM

La stampa 3D su larga scala utilizza il processo di produzione di sostanze aggiunte con fili e piegature (WAAM). I metalli solitamente trattati includono preparazioni in acciaio inox, combinazioni di titanio e alluminio. Il WAAM è stato applicato per produrre componenti primari per l'industria edilizia.

Materiali compositi per la stampa 3D

La ricerca esplora i materiali cementizi rinforzati con fibre, cavi d'acciaio o microcavi. Un approccio promettente combina il calcestruzzo Materiali per la stampa 3D intorno a una struttura in acciaio costruita con bracci robotici. Tuttavia, esistono sfide di integrazione legate alla gestione del calore. Questa sezione fornisce descrizioni dettagliate dei materiali chiave utilizzati per la stampa 3D da costruzione, suddivisi in schemi.

Il processo di stampa 3D

Qualsiasi processo di stampa 3D su larga scala per l'edilizia comprende lo sviluppo del modello, la produzione/trasporto dei materiali, la deposizione degli strati e il controllo della qualità.

Creazione del modello

Il modello digitale viene tagliato in strati non planari utilizzando la continuità tangenziale per una transizione più fluida tra strati di spessore variabile, sfruttando appieno le capacità di Stampa 3D del metallo tecnologie. Questa strategia mantiene costanti le superfici di contatto tra gli strati.

Produzione e trasporto di materiali

Per la stampa in loco su larga scala, il calcestruzzo viene tipicamente consegnato premiscelato dagli impianti di betonaggio, per evitare interruzioni. Tuttavia, potrebbe essere necessaria una miscelazione aggiuntiva dopo il trasporto e preferibilmente dopo il pompaggio, per ottenere una reologia ottimale. Gli acceleratori possono essere introdotti appena prima dell'estrusione.

Deposizione di strati

Nelle stampanti a portale, la testina di stampa deposita il materiale lungo percorsi di utensili in base al modello affettato, costruendo strati successivi. Le stampanti robotizzate estrudono il materiale tramite un dispositivo finale lungo traiettorie programmate. Utensili per la stampa 3D La velocità, lo spessore dello strato e il flusso del materiale influenzano la precisione geometrica e lo sviluppo della resistenza. Il feedback continuo consente di controllare la reologia in tempo reale.

Controllo qualità

Ciò comporta il monitoraggio delle proprietà allo stato fresco e indurito. La reologia è fondamentale e viene valutata in linea, ad esempio attraverso la quantificazione dell'energia di estrusione. I sensori tengono traccia delle dimensioni, dell'omogeneità e dell'indurimento. I test non distruttivi valutano le prestazioni meccaniche. I dati di processo e le simulazioni perfezionano i progetti e le strategie di miscela. Il controllo qualità chiude il ciclo di feedback progettazione-produzione.

Considerazioni aggiuntive

Per i progetti di grandi dimensioni, la pianificazione preventiva è ampia e tiene conto della logistica di consegna dei materiali. L'assemblaggio dei componenti può seguire la stampa monolitica. Gli approcci ibridi integrano la stampa 3D su larga scala nella costruzione di casseforme. Il condizionamento ambientale e il dosaggio degli acceleranti richiedono una valutazione.

Proprietà meccaniche

Il comportamento meccanico di stampa 3D sostenibile Gli elementi costruttivi presentano un'anisotropia dovuta alla fabbricazione a strati. Inoltre, le imprecisioni geometriche del processo di stampa introducono ulteriori variabili.

Proprietà di resistenza

La resistenza alla compressione si dimostra più elevata in senso longitudinale lungo gli strati stampati, a causa delle pressioni di consolidamento. La resistenza diminuisce lateralmente e si riduce perpendicolarmente agli strati che subiscono un indurimento meno confinato. Tendenze simili riguardano il comportamento a flessione. Le prove mostrano una resistenza minima perpendicolare agli strati stampati, dove il calcestruzzo fresco si deposita più liberamente prima di solidificarsi. Senza vincoli laterali o rinforzi, l'assestamento indebolisce la coerenza tra gli strati. L'anisotropia della resistenza supera i 10% tra i diversi orientamenti di costruzione. L'inclusione di fibre attenua questo fenomeno, distribuendo le sollecitazioni in modo uniforme. La progettazione strutturale deve considerare la direzionalità della resistenza, anziché presumere l'isotropia.

Stampa 3D in composito

Le miscele rinforzate per la stampa 3D, come il calcestruzzo micro-cablato, superano le prestazioni delle paste cementizie semplici. I microcavi frenano la fessurazione e inibiscono lo spalling sotto impatto. I compositi sfruttano la sinergia rinforzo/matrice, ottimizzando le proprietà per i ruoli strutturali. Le paste cariche di fibre resistono più carico rispetto agli equivalenti fusi o estrusi, dimostrando un legame interfacciale superiore. I materiali compositi consentono la stampa 3D su larga scala per applicazioni strutturali impegnative, tradizionalmente riservate all'edilizia convenzionale.

Conclusione

In conclusione, questo articolo ha fornito una revisione approfondita dell'impatto e dei progressi delle tecnologie di stampa 3D su larga scala nel settore edile. È stata fornita una panoramica dettagliata dei principali tipi di stampante - braccio robotico e sistemi a portale, delineando i loro principi di funzionamento distinti, gli esempi e i vantaggi/limitazioni. La rassegna ha analizzato anche i principali materiali stampabili su cui si concentra la ricerca sulla stampa 3D per l'edilizia: composizioni cementizie per la stampa del calcestruzzo e leghe metalliche per la produzione additiva wire-arc. Sono stati discussi anche gli approcci di rinforzo composito.

Nel complesso, la revisione sottolinea il ruolo influente della stampa 3D su larga scala nel promuovere l'innovazione edilizia, offrendo una maggiore efficienza, personalizzazione e potenziale di prefabbricazione off-site. Tuttavia, le sfide legate all'imprevedibilità geometrica, alla non uniformità e alla caratterizzazione del comportamento a lungo termine richiedono sforzi mirati per massimizzare la fattibilità e i benefici su larga scala. Con la maturazione delle tecnologie, utilizzo della stampa 3D La capacità di catalizzare l'evoluzione futura dell'ambiente costruito è destinata ad amplificarsi ulteriormente.

Domande frequenti

D: Quali sono i principali tipi di stampanti 3D utilizzati nell'edilizia di grandi dimensioni?

R: L'articolo esamina che la stampa 3D su larga scala può essere classificata principalmente come stampanti a braccio robotico o a portale. Le stampanti a braccio robotico utilizzano un controller robotico multi-hub con una testina di stampa, mentre le stampanti a portale prevedono una testina di stampa installata su una barra mobile piatta.

D: Quali materiali possono essere stampati in 3D per le applicazioni edili?

R: I principali materiali stampabili esaminati sono i materiali cementizi per la stampa sostanziale, nonché i compositi metallici gestiti mediante la produzione di sostanze aggiunte a filo (WAAM). Stanno inoltre emergendo approcci di rinforzo composito che combinano questi materiali.

D: Quali sono i normali progressi coinvolti in un processo di stampa 3D su larga scala per l'edilizia?

R: Le fasi principali delineate sono la creazione del modello computerizzato, la creazione/trasporto dei materiali, la dichiarazione degli strati e il controllo di qualità delle proprietà sia nuove che solidificate.

D: Quali vantaggi offre la stampa 3D per l'edilizia?

R: I vantaggi offerti includono la meccanizzazione, l'opportunità di pianificare, le tempistiche abbreviate, la riduzione degli sprechi, la sostenibilità ulteriormente sviluppata e la potenziale riduzione delle spese rispetto alle tecniche abituali.

D: Quali sono le difficoltà che si incontrano con la stampa 3D su larga scala nel settore edile?

R: Le restrizioni esaminate riguardano i vincoli di scala, l'utilizzo totale grossolano, le esigenze di normalizzazione, le proprietà anisotropiche e la caratterizzazione della condotta a lungo raggio.

D: Cosa riserva il futuro a questa innovazione nell'edilizia?

R: Il suo ruolo nel promuovere l'innovazione attraverso l'aumento dell'efficacia, la personalizzazione e la fabbricazione fuori sede è destinato ad aumentare con la maturazione dei progressi e la risposta alle sfide.