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3D打印机器人实现可持续建筑

导读 3D 打印过程(也称为增材制造)已经在产品原型设计和生物医学方面取得了突破。然而,对于大型建筑项目,3D 打印结构在现实世界中的表现仍然

3D 打印过程(也称为增材制造)已经在产品原型设计和生物医学方面取得了突破。然而,对于大型建筑项目,3D 打印结构在现实世界中的表现仍然存在许多问题。

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。图片来源:Charissa King-O'Brien / 康奈尔大学

Bovay 实验室能够测试和验证所有类型和尺寸的制造材料和结构, 特别适合将大型 3D 打印置于运动中——以及应力和应变。

康奈尔大学现在是仅有的几所拥有这样一个系统的大学之一。土木与环境工程教授德里克·华纳 ( Derek Warner ) 表示,它不仅能让工程学院的教师进行机器人建筑研究,还能让学生在土木基础设施内快速发展的技术领域获得实践经验 。

“机器人砌体(砌砖)、再生塑料印刷和大规模金属印刷都是令人兴奋的领域,在科学和理解以及技术和工程方面都有很大的发展空间,”华纳说。“控制构建过程的许多现象的缩放比例使得它们需要在接近它们将被使用的范围内进行研究。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。”

IRB 6650S 工业机器人系统于 2 月到货,在过去的几个月里,实验室一直在训练使用机器人系统——本质上是一个长的旋转臂——并运行一些中等尺寸的测试打印,包括长凳和种植园主,甚至是康奈尔字体中的大字母 C。

“机器人系统用途广泛且灵活,” 土木与环境工程助理教授Sriramya Nair说。“我们使用它的一种方式是用于混凝土的 3D 打印,但它也可以用于其他方式。您可以连接焊机或激光系统。您可以堆叠砖块或系钢筋。许多繁琐的流程都可以自动化。”

该机器人设置在一条 12 英尺长的轨道上,圆形范围约为 12 英尺,总覆盖区域可达 8 英尺乘 30 英尺,尽管实验室预计不会打印出那么大的东西。致 Bovay 实验室技术服务经理 James Strait。

操作系统是一个团队的努力。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。

获得正确的一致性可能是一个挑战。称之为金发姑娘困境。

“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,”Strait 说。“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形状 - 浪费更少材料的优化。

“任何时候你浇注浇注混凝土,比如人行道,你都必须设置所有的模具。这需要劳动力和材料,你必须把它全部放下。所有这些都需要很长时间,”Strait 说。“你对混凝土结构所做的每一次改变,你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。这比对计算机程序说“你想要这个圆角吗?”要困难得多。点击。几个小时,你就完成了。”

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。

Nair 说:“我们正在给他们一个机会来学习一些最前沿的东西,并且正在发生。” “他们知道的越多,他们就越能成为变革的拥护者,但也知道限制可能是什么。”

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,奈尔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。

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。

“这些材料的碳足迹现在非常高,”她说。“所以这是另一个目标,即减少与 3D 打印材料相关的碳足迹。”