康奈尔大学为学生开设混凝土3D打印课,探寻建筑如何经受时间考验

3D打印资讯
2022
05/14
22:55
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2022年5月14日,南极熊获悉,位于纽约康奈尔大学瑟斯顿大厅地下室的Bovay民用基础设施实验综合大楼最近购买了一台工业3D打印机器人。这台大约6000磅重的机器有能力3D打印出大型结构,有可能在未来改变建筑业。

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△Boyay实验室技术服务经理 James Strait 和土木与环境工程助理教授 Sriramya Nair 监督康奈尔字体中大字母 C 的 3D 打印。Charissa King-O'Brien/提供

3D打印的好处很多,可持续的材料、高效的生产速度和消除成吨的废物只是其中的一部分。这就是为什么许多工业领域已经在其日常生产中引入了3D打印,并且仍然渴望找到更多的方法将其应用于未来的项目。

在过去的几年里,3D打印的市场一直在大幅增长,已经成为汽车制造、航空航天甚至生物医学行业的重要组成部分。然而,当涉及到混凝土打印领域时,增材制造的状况还没有像其他领域那样先进。虽然许多项目已经实现,但建筑工程师和研究人员仍然有许多问题,例如,3D打印结构在未来几年将如何经受时间的考验。

为了给这些仍然存在的问题找到更多的答案,纽约州伊萨卡的康奈尔大学最近购买了这个重量级的机器人,这将帮助他们在混凝土3D打印领域进行研究。康奈尔大学土木与环境工程教授德里克-华纳说:"机器人砌筑(铺砖)、用再生塑料打印和大规模用金属打印都是令人兴奋的领域,无论是在科学和研究方面,或是在技术和工程方面,都有很大的发展空间。许多控制建房过程参数的缩放比例需要被研究,这是为了使打印建筑接近他们能够使用的范围,这同样适用于一些控制性能的现象。此外,在使用新技术进行早期扩展时,总会出现未知的惊喜。”

创新的工业机器人

如前所述,这台名为IRB 6650S的3D打印机器人重约6000磅,令人印象深刻的是他装配由约13英尺的机械臂,同时还在一条横跨约12英尺的轨道上。康奈尔大学拥有这台高科技机器,它于2月初抵达实验室综合大楼,从而获得了许多研究机会,在全球只有极少数教育机构拥有。除此之外,该系统还将使工程学院的学生能够进行机器人建筑研究,使他们在该领域获得第一手的经验。

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△Bovay民用基础设施实验室综合体有一个新租户:一个重约 6,000 磅的工业机器人,能够 3D 打印大型结构,使建筑更具可持续性。Charissa King-O'Brien/提供

土木和环境工程助理教授Sriramya Nair解释说:"我们正在给学生们一个新的机会,让他们学习一些前沿的、正在发生的东西,他们知道的越多,就越能成为变革的倡导者,但也会发现局限性可能是什么。“

在提到机器人系统本身时,她总结说:"机器人系统是多功能的、灵活的。我们使用它的方式之一是混凝土的3D打印,但它也可以用于其他方面。例如,你可以附加一个焊接机或激光系统,你也可以堆砌砖块或绑扎钢筋,这里面的许多繁琐过程都可以实现自动化"。

混凝土3D打印过程

混凝土打印的操作需要一个团队的努力。一组人混合预先配料的砂浆并搅拌添加剂,例如降低混合物的水含量并改善其通过软管的流动性的减水剂。另一组操作机器人的控制器来调节有多少混合物流过系统。当混合物到达机器人的挤出机头和喷嘴时,会引入一种硬化添加剂,使材料在倾倒时变稠。

Strait 说:“底层需要足够坚硬,以容纳下一层正在打印的层。但它们不能太死板,以至于当你在上面打印下一层时,它不会粘在上面。你需要在那里粘合,但你不能让它太软以至于它会被压扁。”该过程是劳动密集型的,但如果成功完成,3D 打印消除了对铸模的需求,并且还允许创建非常规的形状,浪费了更少的材料。

“任何时候浇注混凝土,例如人行道,都必须设置模具。它需要劳动力、材料,所有的这些都需要花费很长时间。对混凝土结构每做一次改变,都必须修改模具或获得一个新模具并花费劳动力来做这件事。相比之下,混凝土3D打印只需要在计算机程序上点击一下就完成了。

Nair 计划将该系统整合到她在秋季教授的新课程“可持续性和自动化:建筑业的未来”中,这将帮助学生为他们所在领域即将发生的变化做好准备。

目前,该系统是使用砂浆进行 3D 打印的,从技术上讲,砂浆是一种聚合体尺寸达 4 毫米的糊状物。任何比这更大的东西都可能堵塞和损坏泵系统。然而,Nair的团队打算建造自己的挤出机头来打印钢纤维混凝土,这种混凝土使用更大的骨料,可以承受更重的负荷。这将为实验室 3D 打印全桥组件并对其进行测试铺平道路。

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△由土木与环境工程助理教授 Sriramya Nair 领导的一个小组(左)准备在 Bovay 实验室进行 3D 打印的砂浆。

Nair 还希望她的团队能够创建自己的混合物来打印,而不是依赖制造商的预混材料。她说:“这些材料的碳足迹现在非常高,”“所以这是另一个目标,即减少与 3D 打印材料相关的碳足迹。”

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