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分析3D打印混凝土技术的发展

http://www.printing.hc360.com2017年03月07日09:31 来源:南极熊T|T

    2.3D打印混凝土的施工

    随着3D打印混凝土出现在研究者的视野中,3D打印建筑也随之产生。意大利研究者EnricoDini发明了世界首台大型建筑3D打印机,这台打印机的底部有数百个喷嘴,可喷射出镁质黏合物,在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体,通过一层层地黏合物和砂子结合,最终形成石质建筑物,并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物(如图5所示)。在此基础上,他与荷兰建筑师JanjaapRuijssenaars一同合作,欲用此3D建筑打印机打印建设一座“莫比乌斯环”状的建筑物,用以参加欧洲的3D打印比赛[8],这是3D打印混凝土技术在建筑行业的大胆实践。近日,上海青浦出现一批3D打印房屋,其研发者马义和使用回收的建筑垃圾与玻璃纤维作为打印原料,采用自行设计的组装打印机械在24小时内完成了10幢200平方米建筑的“打印”,但其使用的材料与结构的承载力、耐久性仍值得考虑。

    图5大型建筑3D打印机打印的建筑物

    之前荷兰的一家建筑企业也已着手进行一栋大楼的打印,其施工主要是通过将3D打印机打印出来的预制件像积木一样垒起来,以此来完成打印。在3D打印混凝土的打印过程中,是混凝土条层层堆积的过程,不可避免地会在打印构件的表面上出现台阶效应,其表面粗糙不平,不仅影响美观,还可能导致精度的误差,从图6中可以明显看出,打印的构件表面存在横向的条纹,层次较为明显,表面平整度有待美化。而为了处理这类问题,通常使用两种方法:一是缩小打印喷嘴的口径,降低台阶的高度,这种方法会降低打印的速度,影响施工效率,同时并不能保证表面达到理想的平整度;二是在成型后进行后续抹平处理,此方法需进行重复工作,费时费力。为解决3D打印建筑施工过程中的这些问题,美国南加州大学的BehrokhKhoshnevis教授提出轮廓建筑工艺(ContourCrafting)。轮廓建筑工艺是使用3D打印技术进行建筑建造的一种工艺,包括轮廓打印系统(Extrusionsystem)和内部填充系统(Fillingsystem)两部分(如图7(左)所示),其原理是先进行外部轮廓的打印,之后向内部填充材料,形成混凝土构件。

    图63D打印成品的表面状态

    轮廓建筑工艺最大的特点是:在喷嘴上加入泥刀(如图7(右)所示),泥刀保证在打印建筑的同时可以进行表面的平整,很好地解决3D打印表面不平整的问题。此外,轮廓建筑工艺可以在3D打印建筑的同时,实现混凝土构件中配筋,还可以进一步尝试高层建筑的打印建设。以3D打印技术为基础,加入泥刀的轮廓建筑工艺具有较多的优点,一方面在打印的同时进行建筑物表面的平整,提高了打印建筑表面的光滑度与精确度,避免重复施工;同时,还可以加大每层打印的厚度,提高建筑物的建造效率,可在24小时内打印完成一栋2500平方英尺的房子。此外,打印设计中填充系统的存在,可以根据需要进行内部材料的填充,在很大程度上提高打印建筑的结构性能。

  

    3.3D打印混凝土存在的问题

    目前的3D打印混凝土技术正处于研发试用阶段,对于其性能与应用均处于探索阶段,因此,不可避免地会存在一些问题。

    (1)原材料的问题。3D打印混凝土相对于传统的模成型混凝土对原料的要求更为苛刻,普通水泥可能无法同时满足建筑性能与打印技术的要求,粗细骨料的质量要求会更高,甚至要采用新的破碎工艺制度,而对于外加剂在混凝土体系中发挥的作用及作用机理也可能会发生改变。

    (2)配合比理论的问题。3D打印混凝土技术对混凝土的粘聚性、挤出性和可建造性等新拌性能提出了特殊的要求,同时,打印过程对混凝土的后期硬化性能会产生较大影响,这并不是可以简单地依据水灰比、砂率等参数的调整而可以满足的。依据现有的混凝土配合比理论配制的混凝土是否可以较好地满足3D打印的工作性要求、达到打印硬化后力学性能与耐久性指标的要求仍有待确定,这就需要从新的角度去提出新的理论,以更好适应于3D打印混凝土技术。

    (3)软件的问题。与传统混凝土施工不同的是,3D打印混凝土需要先完成电脑上模型的构造,再通过自动化程序使之转换为实物,因此,设计软件成为3D打印混凝土技术准备阶段的重要组成部分,而如何实现软件与现实之间的转换成为打印混凝土发展不可或缺的步骤。

    (4)成型高度的问题。目前的3D打印混凝土技术所使用机械的能力仍处于平面扩展阶段,可适用于低层大面积建筑的建设,而对于广泛使用的高层建筑还无法进行打印,只能通过先打印预制件、再进行组装的方式来实现,同时,要将几十层的建筑物打印出来,需要设计出巨型的3D打印机,解决大型建筑物结构强度问题,以及建筑物中钢筋的打印问题。此外,3D打印混凝土在生产流程、安全措施等方面均会产生较大的改变,都会造成或多或少的问题,这些均有待研究者进一步的研究与发现。

    3D打印混凝土展望

    随着科技的发展,愿意从事一线体力劳动的人员越来越少,作为劳动力密集的混凝土建筑行业将迎来一次巨大的挑战,而结合了3D打印技术的3D打印混凝土技术的出现,无疑是一大福音,具有十分广阔的发展前景。3D打印混凝土技术在建造过程中取消了支模拆模的繁琐程序,在很大程度上简化了施工的过程,使得施工速率可以提高到10倍以上,而且还可以实现混凝土的充分利用,降低水泥的使用量,更可以提高建筑物的服役寿命,降低建筑垃圾的产生,减少重复建设,同时,3D打印机械仅需要数名技术人员的控制,减少了施工人员的数量,正符合当今社会的发展趋势。此外,3D打印混凝土技术可以实现各种形状建筑的打印,对环境的要求较小,可将其应用于外太空的探索,迅速完成太空基地的建设。

    目前,3D打印混凝土技术处于发展起步阶段,为实现3D打印混凝土技术应用的普遍化,需要针对其存在的问题进行关键技术的解决。未来3D打印混凝土技术的研究发展可以从如下方面进行:

    (1)混凝土材料的研究。虽然英国拉夫堡大学的T.T.Le等人对3D打印混凝土进行了部分的研究,提出了一些3D打印混凝土所需要具备的性能,但主要是基于现阶段对3D打印混凝土技术初步的认识,缺乏较为系统、理论、深入的研究。而要使3D打印混凝土技术可以快速地发展,则必须对混凝土的原材料、配制理论进行系统深入的研究,因此,新的混凝土配合比理论和新的原材料要求都需要根据性能需求来完善,这也将是3D打印混凝土技术发展过程中的主要研究课题。

    

    (2)配套软硬件的研究。3D打印混凝土技术是电脑软件与打印机械协同合作的过程,如何将电脑中的三维模型通过软件控制的打印装置将之变为实物,更好地与自动化过程相结合,并使之达到最佳效果,这将是一个长期的过程。

    (3)打印工艺的研究。如何合理地安排打印的方向次序、控制打印喷头的全方位爬升等都是决定打印效率的重要因素,也是今后研究中需要注意的方面。同时,目前的3D建筑打印工艺可实现的打印高度受到较大的限制,而社会的发展却使混凝土建筑逐渐向高耸方向发展,这就需要新的打印工艺以实现高层打印与向高层发展所要解决的结构强度、

    配筋增强等问题。

责任编辑:王长会

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