Крупномасштабная 3D-печать в строительстве: Технологии и тенденции

Изучите преобразующее воздействие крупномасштабной 3D-печати на строительную отрасль. В этой обширной статье рассматриваются роботизированные и портальные принтеры, основные материалы и этапы процесса печати, освещаются инновации и будущие проблемы в области строительных технологий.

Крупномасштабная 3D-печать: Инновации в строительстве и инфраструктуре

Статья охватывает несколько ключевых разделов, связанных с крупномасштабной 3D-печатью в строительстве. Она начинается с введения, в котором описывается значение и текущие тенденции в отрасли. Затем подробно рассматриваются типы крупномасштабных 3D-принтеров, в частности, роботизированные и портальные принтеры, а также их преимущества и ограничения. Затем обсуждение переходит к используемым материалам. 3D-печать в строительстве, включая различные цементные материалы, металлические сплавы для WAAM и новые композитные печатные материалы.

3D-печать становится прогрессивной инновацией в обычно неспешной строительной отрасли. Автоматизируя процессы и открывая новые перспективы для планирования, 3D-печать обещает сократить сроки, уменьшить количество отходов и сделать строительство более продуктивным и устойчивым в целом. Эта статья призвана дать представление о преобразующем воздействии крупномасштабных процедур 3D-печати на строительство. В ней рассматривается текущее состояние прогресса, направления на будущее и неизбежные трудности.

Типы крупномасштабных 3D-принтеров в строительстве

Крупномасштабные 3D-принтеры Принтеры, используемые в строительной индустрии, можно разделить на два класса: принтеры с роботизированной рукой и портальные принтеры. Эти два типа используют технологию производства добавочных веществ для послойной сборки строительных компонентов из цементных материалов.

3D-принтеры с роботизированной рукой

Роботизированная рука для крупномасштабной 3D-печати состоит из многоповоротного роботизированного контроллера, оснащенного печатающей головкой. Роботизированная рука обеспечивает высокую точность и гибкость благодаря 6 уровням возможностей. Это позволяет создавать более сложные математические формы, в отличие от обычных портальных систем с тремя ступенями. Распространенным типом является строительная машина, оснащенная мобильным бетононасосом, выполняющим функцию печатающей головки. Система подачи бетона и печатающая головка устанавливаются на машину, а стрела выступает в качестве роботизированной руки, управляемой с помощью 3D-печать в прототипировании Алгоритмы. Некоторые компании, такие как Apis Cor, также используют роботизированные руки, установленные на подвижной платформе.

Это обеспечивает мобильность печати для многокомпонентных структур. Однако могут возникнуть проблемы с контролем и качеством, поскольку робот дополнительно перемещается во время печати. Для увеличения масштаба можно использовать совместную работу нескольких роботов, как это было продемонстрировано в работе Zhang et al. Каждая платформа, установленная на роботе, выполняет отдельные задачи печати синхронно. Движение без столкновений обеспечивается с помощью программного обеспечения для координированного планирования траектории. Проблемой является меньшая площадь печати, ограниченная досягаемостью робота. Чтобы преодолеть эту проблему, Китинг и др. установили манипулятор на мобильную базу на гусеничном ходу, обеспечив автономное производство на месте.

Портальные 3D-принтеры

Портальные принтеры - наиболее широко изученный вариант крупномасштабной 3D-печати в строительстве. Компания Contour Crafting была одним из первых пионеров, использовавших несколько подвесных порталов. Типичная конструкция включает в себя горизонтальную подвижную балку с печатающей головкой, перемещающуюся по фиксированным рельсам или колоннам по осям X, Y. В качестве примера можно привести принтеры из Университета Лафборо и компании "Спецавиа", способные печатать целые здания. Модульные конфигурации, такие как BOD2 от COBOD и Crane WASP от WASP, еще больше увеличивают масштаб. Несколько взаимозаменяемых блоков собираются по мере необходимости, при этом размеры конструкции теоретически не ограничены. Портальные принтеры имеют такие преимущества, как более простое управление, высокая точность и возможность использовать крупный заполнитель в бетонных смесях. Однако ограниченная мобильность требует сборки/разборки на месте каждого нового здания.

Материалы для строительной 3D-печати

Для крупномасштабного 3D-печатного строительства основными материалами для печати являются цементные материалы и металлические сплавы. Кроме того, все большее внимание привлекают комбинированные технологии печати.

Цементные материалы

Материалы, обычно используемые для строительной 3D-печати с помощью бетона, включают цементобетон, геополимер, армированный волокнами бетон и т.д. Цементный бетон - наиболее широко изученный материал для крупномасштабной 3D-печати. Однако для достижения реологических свойств, необходимых для печати, традиционные заполнители часто заменяют более мелкими альтернативами, например, песком. Это снижает восприимчивость к усадочным трещинам, но приводит к созданию более слабых композитов. Геополимеры - это алюминиево-силикатные связующие, которые могут заменить часть цемента.

Металлические материалы для WAAM

В крупномасштабной 3D-печати используется процесс производства проволоки и гнутых дополнительных веществ (WAAM). Обычно используются такие металлы, как нержавеющая сталь, титановые комбинации и алюминий. WAAM применяется для производства первичных компонентов для строительной промышленности.

Композитные материалы для 3D-печати

В исследованиях изучаются цементные материалы, армированные волокнами, стальными тросами или микрокабелями. Перспективный подход сочетает в себе бетон Материалы для 3D-печати вокруг стальной конструкции, построенной с помощью роботизированных рук. Однако существуют проблемы интеграции, связанные с управлением теплом. В этом разделе представлены подробные описания основных материалов, используемых для строительной 3D-печати, с разбивкой на контуры.

Процесс 3D-печати

Любой крупномасштабный процесс 3D-печати для строительства состоит из разработки модели, производства/транспортировки материалов, нанесения слоев и контроля качества.

Создание модели

Цифровая модель нарезается на неплоские слои с использованием тангенциальной непрерывности для более плавного перехода между слоями различной толщины, полностью используя возможности 3D-печать металла технологии. Эта стратегия позволяет поддерживать постоянную площадь контакта между слоями.

Производство и транспортировка материалов

Для крупномасштабной печати на месте бетон обычно доставляется готовой смесью с заводов-дозаторов, чтобы избежать перерывов в работе. Однако для достижения оптимальной реологии может потребоваться дополнительное перемешивание после транспортировки и, предпочтительно, после перекачки. Ускорители могут быть введены непосредственно перед экструзией.

Осаждение слоев

В портальных принтерах печатающая головка наносит материал вдоль траекторий движения инструментов в соответствии с нарезанной моделью, создавая последовательные слои. Роботизированные принтеры выдавливают материал с помощью концевого экструдера по запрограммированным траекториям. Оснастка для 3D-печати скорость, толщина слоя и расход материала влияют на точность геометрии и прочность. Непрерывная обратная связь позволяет контролировать реологию в режиме реального времени.

Контроль качества

Это подразумевает контроль свойств в свежем и затвердевшем состоянии. Реология имеет решающее значение и оценивается в линии, например, с помощью количественной оценки энергии экструзии. Датчики отслеживают размеры, однородность, отверждение. Неразрушающий контроль оценивает механические характеристики. Данные о процессе и моделирование уточняют дизайн смесей и стратегии. Контроль качества замыкает петлю обратной связи между проектированием и производством.

Дополнительные соображения

Для масштабных проектов необходимо тщательное предварительное планирование с учетом логистики доставки материалов. Сборка компонентов может следовать за монолитной печатью. Гибридные подходы интегрируют крупномасштабную 3D-печать в конструкцию опалубки. Необходимо оценить условия окружающей среды и дозировку ускорителей.

Механические свойства

Механическое поведение Устойчивая 3D-печать конструктивных элементов проявляется анизотропия из-за послойного изготовления. Более того, геометрические неточности, возникающие в процессе печати, вносят дополнительные изменения.

Прочностные свойства

Прочность на сжатие оказывается самой высокой в продольном направлении вдоль печатных слоев из-за давления консолидации. Прочность снижается в поперечном направлении и уменьшается в перпендикулярном направлении к слоям, которые подвергаются наименьшему упрочнению. Аналогичные тенденции влияют на поведение при изгибе. Испытания показывают минимальную прочность перпендикулярно напечатанным слоям, где свежий бетон наиболее свободно оседает перед застыванием. Без бокового ограничения или армирования оседание ослабляет межслойное сцепление. Анизотропия прочности превышает 10% при различных ориентациях конструкции. Включение волокон смягчает эту проблему, равномерно распределяя напряжения. При проектировании конструкций необходимо учитывать направленность прочности, а не предполагать изотропию.

Композитная 3D печать

Армированные смеси для 3D-печати, такие как бетон с микрокабелями, превосходят обычные цементные пасты. Микрокабели сдерживают растрескивание и препятствуют отслаиванию при ударах. Композитные материалы используют синергизм арматуры и матрицы, оптимизируя свойства для выполнения структурных функций. Пасты с содержанием клетчатки противостоят большую нагрузку, чем литые или экструдированные аналоги, что свидетельствует о превосходном межфазном сцеплении. Композиты позволяют использовать крупномасштабную 3D-печать для решения сложных конструкционных задач, традиционно предназначенных для традиционного строительства.

Заключение

В заключение хочу сказать, что в этой статье был представлен подробный обзор влияния и прогресса технологий крупномасштабной 3D-печати в строительной отрасли. Был дан подробный обзор основных типов принтеров - роботизированных рук и портальных систем, описаны их различные принципы работы, примеры и преимущества/ограничения. В обзоре также проанализированы основные материалы для печати, на которых сосредоточены исследования в области строительной 3D-печати - цементные составы для печати бетона, а также металлические сплавы, используемые в проволочно-дуговом аддитивном производстве. Также были рассмотрены подходы к армированию композитами.

В целом, обзор подчеркивает важную роль крупномасштабной 3D-печати в продвижении строительных инноваций, предлагая повышенную эффективность, персонализацию и потенциал сборки за пределами строительной площадки. Однако проблемы, связанные с геометрической непредсказуемостью, неоднородностью и долгосрочными характеристиками поведения, требуют целенаправленных усилий, чтобы максимально увеличить их полномасштабную осуществимость и преимущества. По мере развития технологий, Использование 3D-печати Способность катализатора будущей эволюции построенной среды еще больше возрастет.

Вопросы и ответы

В: Какие основные типы 3D-принтеров используются в крупномасштабном строительстве?

О: В статье рассматривается, что крупномасштабная 3D-печать в основном может быть классифицирована на принтеры с роботизированной рукой или портальные принтеры. В принтерах с роботизированной рукой используется многоконтактный роботизированный контроллер с печатающей головкой, а в портальных принтерах печатающая головка устанавливается на плоскую подвижную планку.

В: Какие материалы можно использовать для 3D-печати в строительстве?

О: Основными материалами для печати являются цементные материалы для объемной печати, а также металлические композиты, получаемые с помощью технологии производства добавочных веществ из проволоки (WAAM). Кроме того, появляются комбинированные подходы к армированию композитов.

В: Каковы обычные достижения, связанные с крупномасштабным процессом 3D-печати для строительства?

О: Основными этапами являются создание компьютерной модели, создание/транспортировка материалов, создание слоев и контроль качества как новых, так и затвердевших свойств.

В: Какие преимущества дает 3D-печать в строительстве?

О: К преимуществам можно отнести механизацию, возможность планирования, сокращение сроков, уменьшение количества отходов, дальнейшую устойчивость и потенциальное снижение расходов по сравнению с обычными методами.

В: Какие трудности на самом деле существуют с крупномасштабной строительной 3D-печатью?

О: Рассмотренные ограничения относятся к ограничениям масштаба, грубому суммарному использованию, потребностям в нормализации, анизотропным свойствам и характеристике дальних расстояний.

В: Что ждет эту инновацию в строительстве в будущем?

О: Его роль в продвижении инноваций за счет повышения эффективности, персонализации и изготовления за пределами производственной площадки будет возрастать по мере того, как будут совершенствоваться достижения и решаться проблемы.