教育3D打印機如何在輕型鋼筋混凝土空間結構的運用

http://m.hai34.com2019年07月22日 15:46教育裝備網

　　空間結構系統，如網格，是一種高效的承重結構，易于幾何適應，非常適合無柱、長跨度結構，如機庫和航站樓，以及創建自由形式的幾何結構。由于這些結構必須同時承受壓縮力和拉伸力，因此它們通常由鋁和鋼等各向同性材料構成。鋼筋混凝土也是另一種選擇，但卻受到高成本和混凝土本身結構笨重外觀的限制。

　　布倫瑞克工業大學的研究人員諾曼·哈克、亨德里克·林德曼和哈拉德·克洛夫發表了一篇題為《噴射混凝土3D打印的自適應模塊化空間結構》的論文，講述了他們開發一個“模塊化、數字化建筑系統”，該系統用于用鋼筋混凝土制造輕質空間結構。

　　摘要寫道：“在設計和制造方面，提出了一個數字化的工作流程，其中包括將自由幾何體合理化為完全由平面組件組成的自適應空間模塊。為了快速和精確的制造，這些組件使用一種稱為“噴射混凝土3D打印”的新型3D混凝土打印技術進行3D打印。正在進行的研究是由一個示范性空間模塊的初始真實比例原型來證明的。”

　　其目標是利用鋼筋混凝土創建一個“適應模塊化空間結構的一體化數字施工系統”，考慮施工現場物流、經濟和生態方面、制造限制、材料特性和結構性能。

　　“鑒于此，本文描述了一個數字施工系統和一個數字工作流程，該系統首先將自由形式的幾何圖形合理化為平面面板，然后發展為空間模塊，最后可以使用3D打印技術快速制造，而不造成建筑浪費，”研究人員解釋說。

　　其他幾個研究小組研究了使用鋼筋混凝土創建幾何復雜和結構優化的網格結構，包括：

　　*Hedracrete展館，它研究了基于三維靜態圖形開發的空間復雜多面體結構。

　　*Opticut項目，探討了如何利用機器人磨料線切割有效地進行拓撲優化結構。

　　*Xtree使用四段3D打印混凝土制作桁架式柱的模板和臨時支撐結構。

　　當代鋼筋混凝土空間結構實例：(a)、hedacrete;(b)opticut;(c)普羅旺斯艾克斯的xtree柱。

　　圖布倫瑞克團隊引用了另一個項目——Pier Luigi Nervi，他為意大利空軍開發了飛機懸掛器，該懸掛器基于預制空間桁架梁的網殼系統。他創造了一個平面預制混凝土桁架系統，組裝后形成了一個菱形拱頂結構。然后，通過向縫隙中澆注混凝土，將桁架整體連接起來。

　　這種方法節省了時間、材料和降低了重量，啟發了研究人員努力創造出一個具有相同組成部分的空間結構系統。

　　1939年，奧維耶托Luigi Nervi碼頭預制空軍機庫：(a)鋪板前的網殼內部視圖;(b)裝配期間預制桁架梁;(c)澆筑前接縫的細節。

　　他們的構建系統概念是基于一個數字化的工作流程，該工作流程首先將自由形式的幾何圖形合理化為平面組件的空間模塊。接下來，這些模塊以數字方式展開，以生成制造路徑，然后將組件3D打印為平面元素。

　　模塊生成：(a)初始曲面細分為雙曲面四邊形，顏色表示雙曲率;(b)平面化四邊形網格，帶雙曲面，提供結構深度;(c)平面化四邊形網格，帶平面空間結構，單列Ur表示平面度。

　　由于結構中的所有元素都必須是平面的，因此工作流需要將“給定的自由曲面”有理化為四邊形平面組件的空間模塊。最后，將平面四邊形轉化為空間網格結構，使其適應特定的加載條件。然后，將坐標和刀具速度轉換成G代碼，并與西門子公司一起使用。

　　機器人的設置是在大學的數字建筑制造實驗室完成的：一個機器人制造設施，使用加法和減法制造方法來生產大規模的結構。在開始混凝土攪拌之前，團隊在工作區安裝了一個平面木底板，然后上傳每個模塊組件的制造數據。

　　最終幾何結構：(a)平面結構和結構調整結構，較厚的部分用橙色標記，較細的部分用藍色標記;(b)結構俯視圖和數字展開模塊。

　　研究人員使用了他們的新型噴射混凝土3D打印技術，不僅擠壓材料，而且在壓力下對其進行噴射，以構建3D結構。這種方法提供了優異的層粘合性，可以整合增強材料，并提供對垂直表面和懸垂的噴涂的潛力。

　　模塊的三個組件中的每一個都是單獨3D打印的。打印前兩層后，將8 x 100 cm碳纖維增強網條放在頂部，最后一層打印并噴涂以嵌入。

　　制作：(a)噴涂構件;(b)在混凝土綠色狀態下切割邊緣;(c)打磨斜接表面邊緣

　　經過綠色后處理和兩天的固化后，從底板上分離出60kg的平面元件。最后的2.2 x 1.5 x 1 m原型，在25分鐘內打印，12分鐘的噴涂和8分鐘的后處理，是在5分鐘內組裝的更大結構的一部分。

　　“噴灑可獲得良好的壓實效果，速度快，并提供一致的高度控制。然而，噴霧過程的開始和停止程序尚未得到精確控制，需要延長輪廓的開始和結束點，”研究人員寫道。“在鋼筋方面，很明顯，使用預切割碳纖維墊條是減少構件結構厚度的有效措施。但是，證明手動放置不夠精確，導致后處理過程中切割邊緣時發生碰撞沖突。由于部件重量較輕，僅需三人即可組裝。由于第一個原型中沒有集成任何連接機制，因此使用捆扎帶連接部件。”