Impressão 3D em grande escala na construção: Tecnologias e tendências

Explore o impacto transformador da impressão 3D em larga escala no setor de construção. Este artigo abrangente examina as impressoras de braço robótico e pórtico, os principais materiais e os estágios do processo de impressão, destacando as inovações e os desafios futuros na tecnologia de construção.

Impressão 3D em grande escala: Inovações em construção e infraestrutura

O artigo abrange várias seções importantes relacionadas à impressão 3D em larga escala na construção. Ele começa com uma introdução que descreve a importância e as tendências atuais do setor. Em seguida, ele detalha os tipos de impressoras 3D de grande escala, destacando as impressoras de braço robótico e de pórtico, juntamente com suas vantagens e limitações. A discussão passa então para os materiais usados Impressão 3D na construção, incluindo vários materiais cimentícios, ligas metálicas para WAAM e materiais de impressão compostos emergentes.

A impressão 3D está surgindo como uma inovação progressiva no setor de construção, que costuma ser lento. Por meio da automação de processos e da viabilização de novas perspectivas de planejamento, a impressão 3D promete abreviar os cronogramas, diminuir o desperdício e tornar a construção mais produtiva e sustentável de modo geral. Este artigo espera apresentar um esboço dos efeitos transformadores dos procedimentos de impressão 3D em larga escala para aplicações de construção. Ele examina o status atual do progresso, as direções para o futuro e as dificuldades inerentes.

Tipos de impressoras 3D de grande porte na construção

Em grande escala Impressoras 3D utilizadas no setor de construção podem ser classificadas principalmente em duas classes: impressoras de braço robótico e impressoras de pórtico. Os dois tipos usam a fabricação de substâncias adicionadas para montar componentes de construção camada por camada a partir de materiais cimentícios.

Impressoras 3D de braço robótico

O braço robótico para impressão 3D em larga escala é composto por um controlador robótico multipivô equipado com um cabeçote de impressão. O braço robótico oferece alta aptidão e flexibilidade por meio de seus 6 níveis de oportunidade. Isso leva em consideração as formas matemáticas mais complexas a serem realizadas, em comparação com as estruturas convencionais de pórtico de 3 hubs. Um tipo comum é uma máquina de construção adaptada com uma bomba de concreto móvel que serve como cabeça de impressão. O sistema de entrega de concreto e o cabeçote de impressão são montados na máquina, com a lança atuando como o braço robótico controlado usando Impressão 3D em prototipagem algoritmos. Várias empresas, como a Apis Cor, também utilizam braços robóticos instalados em uma plataforma móvel.

Isso proporciona mobilidade de impressão para estruturas com várias unidades. No entanto, o controle e a qualidade podem ser um problema, pois o robô também se move durante a impressão. Para aumentar a escala, vários robôs podem colaborar, conforme demonstrado por Zhang et al. Cada plataforma montada no robô executa tarefas de impressão discretas em sincronia. O movimento sem colisões é garantido pelo software de planejamento de caminho coordenado. Um desafio é a área de impressão menor, limitada pelo alcance do robô. Para superar isso, Keating et al. montaram um braço em uma base móvel rastreada, permitindo a fabricação autônoma no local.

Impressoras Gantry 3D

As impressoras de pórtico são a opção mais amplamente pesquisada para a impressão 3D em larga escala na construção. A Contour Crafting foi uma das primeiras pioneiras, usando vários pórticos suspensos. Um projeto típico envolve uma viga móvel horizontal que carrega o cabeçote de impressão, movendo-se ao longo de trilhos ou colunas fixas nos eixos X e Y. Os exemplos incluem impressoras da Universidade de Loughborough e da Spetsavia, capazes de imprimir edifícios completos. Configurações modulares, como a BOD2 da COBOD e a Crane WASP da WASP, aumentam ainda mais a escala. Várias unidades intercambiáveis são montadas conforme a necessidade, com tamanhos de construção teoricamente ilimitados. As impressoras Gantry oferecem vantagens como controle mais simples, maior precisão e capacidade de usar agregado grosso em misturas de concreto. Entretanto, a mobilidade limitada exige a montagem/desmontagem no local em cada novo local de construção.

Materiais para impressão 3D de construção

Para a construção de impressão 3D em larga escala, os principais materiais imprimíveis são materiais cimentícios e ligas metálicas. Além disso, as técnicas de impressão composta que combinam essas técnicas também estão ganhando atenção.

Materiais cimentícios

Os materiais comumente usados para impressão 3D de construção com concreto incluem concreto de cimento, geopolímero, concreto reforçado com fibra etc. O concreto de cimento é o material mais amplamente pesquisado para a impressão 3D em larga escala. No entanto, para obter as propriedades reológicas necessárias para a impressão, os agregados tradicionais são frequentemente substituídos por alternativas mais finas, como a areia. Isso reduz a suscetibilidade de rachaduras por retração, mas resulta em compostos mais fracos. Os geopolímeros são aglutinantes de silicato de alumínio que podem substituir uma parte do cimento.

Materiais metálicos para WAAM

A impressão 3D em grande escala utiliza o processo de fabricação de substâncias adicionadas por arame e dobra (WAAM). Os metais normalmente manipulados incluem preparos inoxidáveis, combinações de titânio e alumínio. O WAAM tem sido aplicado para produzir componentes primários para o setor de construção.

Materiais compostos para impressão 3D

A pesquisa explora materiais cimentícios reforçados com fibras, cabos de aço ou micro-cabos. Uma abordagem promissora combina concreto Materiais de impressão 3D em torno de uma estrutura de aço construída com braços robóticos. No entanto, existem desafios de integração relacionados ao gerenciamento de calor. Esta seção fornece descrições detalhadas dos principais materiais usados para a impressão 3D de construção, divididos em linhas gerais.

O processo de impressão 3D

Qualquer processo de impressão 3D em larga escala para construção consiste no desenvolvimento de modelos, produção/transporte de materiais, deposição de camadas e controle de qualidade.

Criação de modelos

O modelo digital é fatiado em camadas não planas usando a continuidade tangencial para uma transição mais suave entre camadas de espessura variável, utilizando totalmente os recursos do Impressão 3D de metal tecnologias. Essa estratégia mantém superfícies de contato constantes entre as camadas.

Produção e transporte de materiais

Para a impressão em larga escala no local, o concreto é normalmente fornecido pronto para mistura a partir de usinas de lotes para evitar interrupções. Entretanto, pode ser necessária uma mistura adicional após o transporte e, de preferência, após o bombeamento para obter a reologia ideal. Os aceleradores podem ser introduzidos imediatamente antes da extrusão.

Deposição de camadas

Nas impressoras gantry, o cabeçote de impressão deposita o material ao longo dos caminhos da ferramenta de acordo com o modelo fatiado, criando camadas sucessivas. As impressoras robóticas extrudam o material por meio de um efetor final ao longo de trajetórias programadas. Ferramentas de impressão 3D A velocidade, a espessura da camada e o fluxo do material afetam a precisão geométrica e o desenvolvimento da resistência. O feedback contínuo permite o controle reológico em tempo real.

Controle de qualidade

Isso implica o monitoramento das propriedades do estado fresco e endurecido. A reologia é fundamental e avaliada em linha, por exemplo, por meio da quantificação da energia de extrusão. Os sensores monitoram as dimensões, a homogeneidade e a cura. Testes não destrutivos avaliam o desempenho mecânico. Os dados e as simulações do processo refinam os projetos e as estratégias de mistura. O controle de qualidade fecha o ciclo de feedback do projeto e da fabricação.

Considerações adicionais

Para projetos de grande escala, o planejamento prévio extensivo leva em conta a logística de entrega de materiais. A montagem dos componentes pode seguir a impressão monolítica. As abordagens híbridas integram a impressão 3D em larga escala na construção de formas. O condicionamento ambiental e a dosagem do acelerador precisam ser avaliados.

Propriedades mecânicas

O comportamento mecânico do impressão 3D sustentável Os elementos de construção exibem anisotropia devido à fabricação baseada em camadas. Além disso, as imprecisões geométricas do processo de impressão introduzem variáveis adicionais.

Propriedades de resistência

A resistência à compressão se mostra mais alta longitudinalmente ao longo das camadas impressas devido às pressões de consolidação. A resistência diminui lateralmente e minimiza perpendicularmente às camadas que passam por um endurecimento menos confinado. Tendências semelhantes afetam o comportamento de flexão. Os testes mostram resistência mínima perpendicular às camadas impressas, onde o concreto fresco se assenta mais livremente antes de se solidificar. Sem restrição lateral ou reforço, o assentamento enfraquece a coerência entre as camadas. A anisotropia de resistência excede 10% em diferentes orientações de construção. A inclusão de fibras atenua isso, distribuindo as tensões de maneira uniforme. O projeto estrutural deve considerar a direcionalidade da resistência em vez de presumir a isotropia.

Impressão 3D de compostos

As misturas de impressão 3D reforçadas, como o concreto com micro-cabos, superam as pastas de cimento simples. Os microcabos restringem as rachaduras e inibem a fragmentação sob impacto. Os compostos exploram o sinergismo do reforço/matriz, otimizando as propriedades para funções estruturais. As pastas carregadas de fibras resistem mais carga do que os equivalentes fundidos ou extrudados, evidenciando uma ligação interfacial superior. Os compostos estabelecem a impressão 3D em larga escala para aplicações estruturais exigentes, tradicionalmente reservadas para a construção convencional.

Conclusão

Em conclusão, este artigo apresentou uma análise aprofundada do impacto e do progresso das tecnologias de impressão 3D em larga escala no setor de construção. Foi apresentada uma visão geral detalhada dos principais tipos de impressoras - braço robótico e sistemas de pórtico, descrevendo seus princípios de operação distintos, exemplos e vantagens/limitações. A revisão também analisou os principais materiais imprimíveis focados na pesquisa de impressão 3D para construção - composições cimentícias para impressão de concreto, bem como ligas metálicas voltadas para a manufatura aditiva de arco de arame. Também foram discutidas abordagens de reforço composto.

De modo geral, a análise ressalta o papel influente da impressão 3D em larga escala para impulsionar a inovação na construção, oferecendo maior eficiência, personalização e potencial de pré-fabricação fora do local. No entanto, os desafios relacionados à imprevisibilidade geométrica, à não uniformidade e à caracterização do comportamento de longo prazo exigem esforços concentrados para maximizar a viabilidade e os benefícios em escala real. À medida que as tecnologias amadurecem, uso da impressão 3D A capacidade de catalisador da evolução futura do ambiente construído deve se ampliar ainda mais.

Perguntas frequentes

P: Quais são os principais tipos de impressoras 3D utilizados na construção em larga escala?

R: O artigo examina que a impressão 3D em larga escala pode ser classificada principalmente como impressoras de braço robótico ou impressoras gantry. As impressoras de braço robótico utilizam um controlador robótico de vários hubs com um cabeçote de impressão, enquanto as impressoras gantry envolvem um cabeçote de impressão instalado em uma barra móvel plana.

P: Quais materiais podem ser impressos em 3D para aplicações de construção?

R: Os principais materiais imprimíveis examinados são os materiais cimentícios para impressão substancial, bem como os compostos metálicos manipulados por meio da fabricação de substâncias adicionadas por dobra de arame (WAAM). Além disso, estão surgindo abordagens de reforço composto que combinam esses materiais.

P: Quais são os avanços normais envolvidos em um processo de impressão 3D em grande escala para construção?

R: Os principais estágios descritos são a criação de modelos computadorizados, a criação/transporte de materiais, a declaração de camadas e o controle de qualidade das propriedades novas e solidificadas.

P: Quais são os benefícios que a impressão 3D oferece para a construção?

R: As vantagens apresentadas incluem mecanização, oportunidade de planejamento, cronogramas reduzidos, menos desperdício, sustentabilidade mais desenvolvida e possíveis reduções de despesas em comparação com as técnicas habituais.

P: Quais são as dificuldades que realmente existem na impressão 3D para construção em larga escala?

R: As restrições examinadas dizem respeito a restrições de escala, utilização total grosseira, necessidades de normalização, propriedades anisotrópicas e caracterização da conduta de longo curso.

P: O que o futuro reserva para essa inovação na construção?

R: Sua participação no estímulo à inovação por meio de maior eficácia, personalização e fabricação fora do local de trabalho deve aumentar à medida que os avanços amadurecem e os desafios são atendidos.