密歇根大學(xué)的研究人員在3D混凝土打印方面取得了變革性的突破，為建筑行業(yè)帶來(lái)了更可持續(xù)和更具成本效益的未來(lái)。建筑師Mania Aghaei Meibodi和密歇根大學(xué)陶布曼建筑與城市規(guī)劃學(xué)院DART實(shí)驗(yàn)室的研究人員Alireza Bayramvand和Yuxin Lin開(kāi)發(fā)了一種開(kāi)創(chuàng)性的方法，用于創(chuàng)建超輕、無(wú)廢物的混凝土。與相同尺寸的傳統(tǒng)實(shí)心混凝土相比，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)減輕了72%的重量。
一種結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化和機(jī)器人技術(shù)的新方法
傳統(tǒng)的3D混凝土打印方法（3DCP）旨在實(shí)現(xiàn)建筑數(shù)字化并減少混凝土消耗。然而，這些方法具有幾何限制，將其應(yīng)用限制在正交墻等更簡(jiǎn)單的形狀上。研究人員的新方法“殼墻”展示了一種計(jì)算設(shè)計(jì)和機(jī)器人3D打印技術(shù)，該技術(shù)有效地將拓?fù)鋬?yōu)化與3D混凝土打印相結(jié)合。
拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)性能標(biāo)準(zhǔn)（如強(qiáng)度或重量）為給定的支撐集生成最有效的材料分布的技術(shù)。通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算模型，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化零件的形狀和幾何特征協(xié)同非平面和可變材料沉積，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種方法，通過(guò)將材料精確放置在結(jié)構(gòu)目的所需的位置來(lái)有效利用材料。
該模型的高級(jí)功能之一是能夠再生形式以緊密匹配初始優(yōu)化，同時(shí)考慮到任何制造和材料限制，該模型能夠自動(dòng)生成 3D 打印、非平面刀具路徑和可變材料擠出速率的數(shù)據(jù)。
這是有史以來(lái)第一個(gè)3D打印的輕質(zhì)，結(jié)構(gòu)加固的自由形式混凝土墻。這種創(chuàng)新的殼體墻系統(tǒng)基于優(yōu)化的幾何形狀，以支持其荷載工況，材料分布在直徑從65到150毫米的彎曲肋條的分層網(wǎng)格中。
這些肋骨之間的非承重區(qū)域只有6.5至8厘米深，可以在兩個(gè)只有2.5毫米厚的混凝土外殼之間夾住絕緣材料。
超輕質(zhì)自由形態(tài)殼墻
與同等尺寸的傳統(tǒng)實(shí)心混凝土墻相比，新型3D混凝土的重量?jī)H為160公斤，重量減輕了72%。通過(guò)這種創(chuàng)新的3D打印方法，該墻允許“無(wú)浪費(fèi)的混凝土結(jié)構(gòu)和有效利用材料，將其精確放置在結(jié)構(gòu)目的所需的位置。
研究團(tuán)隊(duì)表示，“新的3D打印方法還通過(guò)使用常用混凝土而不是依賴高度專(zhuān)業(yè)化的混合物來(lái)促進(jìn)3D混凝土打印的實(shí)際實(shí)施，而且使用的混凝土和鋼筋數(shù)量明顯少于相同尺寸墻通常需要的大量混凝土和鋼筋。此外，DART實(shí)驗(yàn)室還為殼墻開(kāi)發(fā)了一種輕巧且價(jià)格合理的3D混凝土打印系統(tǒng)，以提高可訪問(wèn)性。
同樣，去年麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了一種3D打印材料的方法，以檢測(cè)它們?nèi)绾我苿?dòng)并與環(huán)境相互作用，麻省理工學(xué)院的另一個(gè)研究小組創(chuàng)造了一種新的復(fù)合材料，這種材料像骨頭一樣堅(jiān)韌，像鋁一樣堅(jiān)硬。
此外，麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師通過(guò)使用一種新穎的聚合工藝創(chuàng)造了一種“比鋼更堅(jiān)固，像塑料一樣輕”的新材料。
向可持續(xù)建筑更近一步
這種新方法“消除了不必要的過(guò)度建筑和過(guò)量的材料”，能夠以更低的成本建造更好、更環(huán)保的結(jié)構(gòu)。隨著機(jī)器人、人工智能和建筑自動(dòng)化的不斷發(fā)展，3D打印因其能夠以更少的浪費(fèi)快速創(chuàng)建復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)而在建筑行業(yè)中越來(lái)越受歡迎。
這一突破符合環(huán)保建筑材料的增長(zhǎng)趨勢(shì)以及3D打印在各個(gè)行業(yè)中的使用越來(lái)越多。隨著快速城市化和對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的增加，這一發(fā)展有助于建筑行業(yè)和一般3DCP實(shí)踐的重大變化。
