Table of Contents

Εξέλιξη της τρισδιάστατης εκτύπωσης σε κατασκευαστικές εργασίες

Η διαδρομή της κατασκευής πρόσθετων υλών στην πολιτική μηχανική ξεκινά με την πρώιμη πειραματισμό στη δεκαετία του 1980, όταν η στερεολιθογραφία απέδειξε για πρώτη φορά την κατασκευή στρώμα-ανά-επίστρωμα. Ο κατασκευαστικός τομέας υιοθέτησε αρχικά 3D εκτύπωση για ταχεία πρωτοτυπία, παραγωγή μοντέλων κλίμακας και mock-ups formwork. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 2000, η πρόοδος σε μεγάλης κλίμακας συστήματα εξώθησης επέτρεψε την εκτύπωση των δομικών στοιχείων πλήρους κλίμακας. Σήμερα, η τεχνολογία έχει ωριμάσει για να παραδώσει ολόκληρα συστήματα τοίχων, τμήματα γεφυρών, ακόμη και κατοικήσιμες κατοικίες, με ταχύτητες εκτύπωσης άνω των 10 μέτρων ανά λεπτό και αναλύσεις στρώματος ως λεπτά ως 5 χιλιοστά.

Βασικές τεχνολογίες Οδήγηση της κατασκευής πρόσθετων υλών στις κατασκευές

Εκτύπωση βασισμένη στην εξώθηση

Η πιο συνηθισμένη μέθοδος για την τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος χρησιμοποιεί ένα ⁇ μποτικό γάντι ή ⁇ μποτικό βραχίονα που εξέχει τσιμεντοειδές υλικό μέσω ενός ακροφυσίου. Το υλικό εναποτίθεται σε ελεγχόμενες στρώσεις που συντήκονται χωρίς ψυχρές αρθρώσεις. Εταιρείες όπως Η ICON έχουν επιδείξει σπίτια τυπωμένα σε 24 ώρες χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική.

Σκόνη για την σύντηξη κρεβατιών και έλικες

Τα συστήματα με βάση την σκόνη εφαρμόζουν ένα υγρό συνδετικό υλικό σε ένα λεπτό στρώμα σκόνης (άμμης, κεραμικού, ή γεωπολυμερούς), επιλεκτικά σφουγγαρίσματος σωματιδίων για τη δημιουργία σύνθετων γεωμετριών.

⁇ μποτική εναπόθεση όπλων

Βιομηχανικά ⁇ μποτικά όπλα (π.χ., KUKA, ABB) εξοπλισμένα με εξειδικευμένους εξωθητές προσφέρουν ελευθερία εξαξονικού άξονα για την εκτύπωση μη πλατέων σχημάτων, προεξοχών, και καμπυλωτών κατασκευών χωρίς υλικό στήριξης. Αυτή η ευελιξία είναι πολύτιμη για αρχιτεκτονικές προσόψεις και προσαρμοσμένα στοιχεία γέφυρας.

Βασικά οφέλη που υποστηρίζονται από τα δεδομένα της βιομηχανίας

Τα πλεονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης στον τομέα της πολιτικής μηχανικής δεν είναι απλώς θεωρητικά, αλλά υποστηρίζονται από τα αποτελέσματα του έργου.

Εφαρμογές σε όλο το φάσμα Πολιτικών Μηχανικών

Κατοικίες και εμπορικά κτίρια

Ολόκληροι τοίχοι, θεμέλια και συστήματα χωρισμάτων εκτυπώνονται επί τόπου ή ως προκατασκευασμένα πάνελ. “House Zero” του ICON στο Ώστιν του Τέξας, χαρακτηριστικά εκτυπωμένα εσωτερικά και εξωτερικά τείχη με ολοκληρωμένες κυνηγήσεις χρησιμότητας. Η προσέγγιση είναι ιδιαίτερα επιτακτική για προσιτή στέγαση σε απομακρυσμένες τοποθεσίες όπου το κόστος εργασίας και μεταφοράς είναι υψηλό.

Γέφυρες και Πεδεστρικοί Περίπατοι

Η γέφυρα MX3D χάλυβα στο Άμστερνταμ, που τυπώνεται από έξι ρομπότ άξονα και συγκολλημένα από ανοξείδωτο χάλυβα, δείχνει την κατασκευή πρόσθετων για δομικά μέταλλα. Σκυροδέματος πεζών γεφυρών έχουν τυπωθεί από COBOD και Webuild στην Ευρώπη, με εύρος μέχρι 30 μέτρα. Η [[LFT:0]]]MX3D γέφυρα[[LFT:1]] περιλαμβάνει ενσωματωμένους αισθητήρες για την παρακολούθηση της δομικής υγείας σε πραγματικό χρόνο.

Επισκευή υποδομής και προσαρμοσμένα μέρη

Η τρισδιάστατη εκτύπωση υπερέχει στην παραγωγή μη τυποποιημένων εξαρτημάτων επισκευής για την υποδομή γήρανσης. Προσαρμοσμένες αποχετεύσεις, τεμάχια τοίχων συγκράτησης, και καλύμματα φρεάτων μπορούν να εκτυπωθούν κατά παραγγελία, μειώνοντας τις ώρες μολύβδου από εβδομάδες σε ώρες. Στην Ιαπωνία, τυπωμένα τμήματα σκυροδέματος έχουν χρησιμοποιηθεί για την αποκατάσταση των θαλασσών με σύνθετη καμπυλότητα.

Αρχιτεκτονικά πρότυπα και μορφογραφία

Οι μεγάλης κλίμακας εκτυπωτές άμμου παράγουν λεπτομερή αρχιτεκτονικά μοντέλα για δοκιμές αιολικής σήραγγας και παρουσιάσεις πελατών. Επιπλέον, τρισδιάστατη εκτύπωση για προσαρμοσμένα στοιχεία σκυροδέματος (π.χ. πλάκες βάφλας, ραβδωτά κελύφη) επιτρέπει στους αρχιτέκτονες να εφαρμόσουν πολύπλοκες γεωμετρίες χωρίς παραδοσιακή ξυλουργική.

Μελέτες Περιπτώσεων που επιδεικνύουν Πραγματικό Παγκόσμιο Επιπτώσεις

Το Βολκάνιο Σύστημα της ICON στη Λατινική Αμερική

ICON που συνεργάζεται με τη στέγαση μη κερδοσκοπικά να εκτυπώσει 50 σπίτια στο αγροτικό Μεξικό χρησιμοποιώντας Vulcan ΙΙ εκτυπωτή τους. Κάθε σπίτι 500 τετραγωνικών ποδιών τυπώθηκε σε λιγότερο από 24 ώρες με τοπικά πηγασμένα σκυρόδεμα. Μετα-οικολογικές έρευνες έδειξαν εσωτερική σταθερότητα θερμοκρασίας και εξοικονόμηση κόστους 35% σε σύγκριση με την παραδοσιακή κατασκευή τοιχοποιίας.

COBOD BOD2 στην Ευρώπη

Ο εκτυπωτής BOD2 της COBOD δημιούργησε ένα τριώροφο κτίριο στην Κοπεγχάγη της Δανίας, με τυπωμένα τοιχώματα και ολοκληρωμένους αγωγούς ενίσχυσης. Το έργο πέτυχε ταχύτητα εκτύπωσης 100 εκατοστών το δευτερόλεπτο και διατήρησε τη δομική πιστοποίηση υπό ευρωπαϊκούς κτιριακές κώδικες.

MX3D χάλυβα γέφυρα

Η γέφυρα πεζών 12 μέτρων στο κανάλι Oudezijds Achterburgwal του Άμστερνταμ τυπώθηκε από ρομπότ έξι αξόνων που χρησιμοποιούν συγκόλληση τόξου μετάλλων αερίου. Οι δοκιμές αποκάλυψαν ικανότητα μεταφοράς φορτίου που υπερβαίνει τις απαιτήσεις σχεδιασμού κατά 40%, και ο οργανικός σχεδιασμός της γέφυρας μειώνει το υλικό κατά 60% σε σχέση με ένα συμβατικό χαλύβδινο μαστίγιο.

Προκλήσεις που Αντιμετωπίζουν την Ευρεία Ανάπτυξη

Περιορισμοί υλικού

Τα σημερινά εκτυπώσιμα σκυρά συχνά στερούνται ενίσχυσης ινών ή απαιτούν ιδιόκτητα πρόσθετα για να επιτύχουν αντοχή στην πτώση και εκτυπώσιμη ικανότητα. Η ολοκλήρωση της ενίσχυσης του χάλυβα παραμένει δύσκολη.Μερικές προσεγγίσεις εκτυπώνουν κενά για μετα-επέκταση ράβδους ή χρησιμοποιούν εκτυπωμένες ίνες, αλλά δοκιμές αντοχής του δεσμού δείχνουν μεταβλητότητα.

Κλίμακα και περιορισμοί μεταφορών

Οι εκτυπωτές Gantry απαιτούν ένα σταθερό αποτύπωμα που μπορεί να είναι μεγαλύτερο από τη δομή που κατασκευάζεται, περιορίζοντας τις εφαρμογές σε συμπιεσμένες αστικές τοποθεσίες. Κινητοί ⁇ μποτικοί βραχίονες έχουν περιορισμένη εμβέλεια (συνήθως 3-4 μέτρα), καθιστώντας την εκτύπωση πολλών ορόφων εξαρτώμενη από την επανατοποθέτηση με τη βοήθεια γερανού. Η εκτύπωση γέφυρας απαιτεί συχνά προκατασκευή σε ελεγχόμενες εγκαταστάσεις, μειώνοντας τα επιτόπου οφέλη.

Κτιριακές Κωδικές και Πιστοποίηση

Οι περισσότεροι κώδικες κτιρίων είναι γραμμένοι για συμβατικές μεθόδους κατασκευής. Η έγκριση για 3D-εκτυπωμένες δομές απαιτεί συχνά μελέτες ισοδυναμίας, δοκιμές επιδόσεων και αξιολόγηση από ομοτίμους. Το Διεθνές Συμβούλιο Κώδικα (ICC) έχει ξεκινήσει την ανάπτυξη προτύπων (π.χ., AC509), αλλά η υιοθέτηση είναι άνιση σε όλες τις δικαιοδοσίες. Οι ασφαλιστές ασφαλιστές παραμένουν προσεκτικοί, και ορισμένα έργα απαιτούν διαρθρωτική παρακολούθηση από τρίτους.

Κατανάλωση και Κόστος εξοπλισμού ενέργειας

Οι Βιομηχανικοί εκτυπωτές καταναλώνουν 20 ⁇ 40 kW κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Η τιμή αγοράς ενός μεγάλου εκτυπωτή τύπου υπερβαίνει τα 300.000 δολάρια, με επιπλέον κόστος για τη μεταφορά, την προετοιμασία του χώρου και το χειρισμό υλικού.

Βιωσιμότητα και Περιβαλλοντικό αποτύπωμα

Η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί επίσης να μειώσει το αποτύπωμα άνθρακα της κατασκευής κατά 30 ⁇ 50% μέσω χαμηλότερης χρήσης υλικού, εξάλειψης της ξυλείας formwork και μειωμένης μεταφοράς βαρέων συστατικών. Η τεχνολογία επιτρέπει τη χρήση υλικών που προέρχονται από απόβλητα: συντετριμμένου σκυροδέματος πρόστιμο, ιπτάμενη τέφρα, και ανακυκλωμένων υαλωδών αδρανών έχουν σχηματιστεί με επιτυχία σε εκτυπώσιμα κονιάματα.Η έρευνα στο [[LFT:0]ScienceDirect[[LFT:1]] δείχνει ότι η αντικατάσταση του 30% του τσιμέντου με ανακυκλωμένη σκόνη διατηρεί τη συμπίεση αντοχή, ενώ μειώνει τις εκπομπές CO2.

Ωστόσο, η ενεργειακή ένταση της εκτύπωσης και ο ενσωματωμένος άνθρακας των τσιμεντένιων μιγμάτων ταχείας θεραπείας πρέπει να παραχθούν. Οι εκτιμήσεις κύκλου ζωής δείχνουν ότι το καθαρό όφελος είναι θετικό όταν η εξοικονόμηση υλικού υπερβαίνει το 25%, ένα όριο που οι περισσότεροι βελτιστοποιημένοι σχεδιασμοί πληρούν. Η ικανότητα εκτύπωσης μορφών με ενσωματωμένα κανάλια μόνωσης και εξαερισμού ενισχύει περαιτέρω την επιχειρησιακή απόδοση ενέργειας.

Μελλοντική προοπτική: Προς αυτόνομη κατασκευή

Έξυπνα υλικά εκτύπωσης

Τα αυτοθεραπευτικά σκυροδέματα που περιέχουν εγκλωβισμένα βακτήρια ή πολυμερή σχήματος-μνήμης προσαρμόζονται για τρισδιάστατη εκτύπωση. Αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να επισκευάσουν αυτόνομα ρωγμές που ξεκινούν από κύκλους θερμικής ή φόρτωσης.

Εκτύπωση επί τόπου χωρίς σκάφψη

Οι αναρρίχηση εκτυπωτών που ανεβαίνουν καθώς κάθε ιστορία ολοκληρώνεται είναι υπό ανάπτυξη από αρκετές startups. Αυτά τα συστήματα θα απέφευγαν την ανάγκη για εξωτερικούς γερανούς και σκαλωσιές, επιτρέποντας την ταχεία κατασκευή των κτιρίων μέσης ανατολής. Ένα πρωτότυπο από το Πανεπιστήμιο της Νάντης τύπωσε έναν πύργο τριών ορόφων με ένα αναρριχητικό ζάντι σε ρυθμό ενός ορόφου την ημέρα.

Ένταξη με BIM και AI

Οι ροές εργασίας του Building Information Modeling (BIM) μπορούν να δημιουργήσουν διαδρομές εργαλείων εκτυπωτών απευθείας από αρχιτεκτονικά μοντέλα, μειώνοντας τα λάθη μετάφρασης δεδομένων. Οι αλγόριθμοι τεχνητής νοημοσύνης βελτιστοποιούν τις ακολουθίες εκτύπωσης για την ελαχιστοποίηση των θερμοδιαβαθμίσεων, των ψυκτικών χρόνων στρώματος και των απαιτήσεων δομής υποστήριξης. Autodesk έχει αναπτύξει πρόσθετα που συρραφή δεδομένων BIM σε ⁇ μποτικούς ελεγκτές βραχίονων, επιτρέποντας απρόσκοπτη ψηφιακή-to-φυσική κατασκευή.

Προκατασκευή και Modularization εκτός site

Το πιο αποτελεσματικό επιχειρηματικό μοντέλο μπορεί να είναι η προεγγραφή μεγάλων τυπωμένων πάνελ σε εργοστασιακές ρυθμίσεις, στη συνέχεια η συναρμολόγηση τους επί τόπου με γερανό και βιδώματα. Αυτή η προσέγγιση συνδυάζει την ακρίβεια της τρισδιάστατης εκτύπωσης με την ταχύτητα της αρθρωτής κατασκευής.

Συμπέρασμα

Η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει προχωρήσει πέρα από πειραματικές αποδείξεις-of-concept σε πρακτικές εφαρμογές πολιτικού μηχανικού που παρέχουν μετρήσιμα οφέλη στην υλική απόδοση, την ταχύτητα κατασκευής, και την ελευθερία σχεδιασμού. Ενώ οι προκλήσεις της πιστοποίησης υλικού, κλίμακα, και την αποδοχή κώδικα οικοδόμησης παραμένουν, συνεχιζόμενες πρόοδοι στα ⁇ μποτικά συστήματα και τη χημεία σκυροδέματος επιλύουν τα πιο κρίσιμα σημεία συμφόρησης. Μηχανικοί που ενσωματώνουν την κατασκευή προσθέτων στο σχεδιασμό και τις ροές εργασίας κατασκευής τους θα αποκτήσουν ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα στο κόστος, τη βιωσιμότητα και τη γεωμετρική ικανότητα.