3D-tulostuksen kehitys rakentamisessa

Maa- ja vesirakentamisen lisäainevalmistuksen matka alkaa 1980-luvun alkukokeilulla, jolloin stereolitografian ensimmäinen vaihe oli kerros kerrokselta. Rakennusala hyväksyi alun perin 3D-tulostuksen nopeaan prototyyppien tekemiseen, mittakaavamallien ja muottimallien tuottamiseen. 2000-luvun puolivälissä suuret puristusjärjestelmät mahdollistivat täysmittaisten rakennusosien painamisen. Nykyään teknologia on kypsynyt tuottamaan kokonaisia seinäjärjestelmiä, siltoja ja jopa asuttavia asuntoja, joiden painonopeus on yli 10 metriä minuutissa ja kerrosresoluutiot ovat 5 millimetriä.

Ydinteknologiat Ajolaite Rakentaminen

Extrusion-peruspainatus

Betonipainon yleisin menetelmä on robottikiehkura tai robottikäsi, joka suuttimen kautta puristaa sementtipitoista materiaalia. Materiaali talletetaan hallittuihin kerroksiin, jotka sulavat ilman kylmää niveltä. ] :n kaltaiset yritykset ovat osoittaneet, että talot painetaan 24 tunnin kuluessa tätä tekniikkaa käyttäen.

Jauheen Fuusio ja Binder Jetting

Jauheen pohjassa olevat järjestelmät käyttävät nestemäistä sideainetta ohutkerroksiseen jauheeseen (hiekka, keraaminen tai geopolymeeri), joka valikoidusti sulattaa hiukkasia monimutkaisten geometrioiden luomiseksi. Nämä menetelmät tuottavat korkean resoluution komponentteja, mutta vaativat jälkikäsittelyn lämpökäsittelyä rakenteellisen lujuuden saavuttamiseksi.

Robottinen asepinnoitus

Teolliset robottiaseet (esim. KUKA, ABB) on varustettu erikoisvalmisteisilla ulkonemilla, ja ne tarjoavat kuusi akselia ilmaiseksi ilman pinta-aktiivisia muotoja, overhangeja ja kaarevan rakenteen ilman tukimateriaalia. Joustavuus on arvokasta arkkitehtonisille julkisivuille ja mukautetuille siltojen elementeille.

Teollisuusdatan tukemat keskeiset hyödyt

3D-tulostuksen edut maa- ja vesirakentamisessa eivät ole pelkästään teoreettisia, vaan niiden tukena ovat hankkeen tulokset.

  • Materiaalijätteen vähentäminen:[ Perinteinen rakentaminen tuottaa 10.15 prosenttia jätettä, joka johtuu rajauksista ja ylitilauksista. Lisäaineen valmistus käyttää vain tarvittavaa materiaalia, leikkaa jätettä alle 3 prosenttiin useimmissa painetuissa projekteissa. Stuttgartin yliopiston tutkimuksessa 3D-painatetun kolonnin materiaalikäyttö väheni 60 prosenttia verrattuna perinteiseen betonin ekvivalenttiin.
  • Rakennusnopeus:[] Tyypillinen yksikerroksinen talo kestää 4-6 viikkoa tavanomaisin menetelmin. 3D-tulostus voi vähentää rakennekuoren vaiheen alle kahteen päivään. Apis Cor[] talo Venäjällä on painettu 24 tuntia paikan päällä.
  • Design Freedom:[] Kaarevat seinät, orgaaniset muodot ja topologiaoptimoidut rakenteet, jotka vaativat kallista muottia tai CNC-hiotut muotit tuotetaan ilman lisäkustannuksia. Tämä mahdollistaa insinöörien optimoida kuormituspolut ja vähentää materiaalimassaa.
  • Kokonaiskustannukset Säästöt:[] Vaikka tulostinlaitteet ovat pääomavaltaisia, työvoimasäästöt 40..60 prosenttia ja materiaalisäästöt 30...50 prosenttia kompensoivat usein alkuinvestointia yli 1000 neliömetrin suurhankkeiden osalta. Deloitten raportissa arvioitiin elinkaarikustannusten pienenevän 25...40 prosenttia laajamittaisten infrastruktuurielementtien osalta.

Sovellukset rakennustekniikan eri taajuuksilla

Asuin- ja liikerakennukset

Koko seinät, perustukset ja osiojärjestelmät tulostetaan paikan päällä tai esivalmistettuja paneeleja. ICON. ICON.S ...Koti Zero... Austinissa, Texasissa, on painetut sisäiset ja ulkoiset seinät integroiduilla apuvälineillä takaa-ajoja. Lähestymistapa on erityisen pakottava kohtuuhintainen asuntoja syrjäisillä paikoissa, joissa työvoima- ja kuljetuskustannukset ovat korkeat.

Sillat ja kävelytiet

MX3D terässilta Amsterdamissa, tulostettu kuusi akselia robotteja ja hitsattu ruostumattomasta teräksestä, osoittaa lisäaineen valmistus rakennemetallia. Betoni jalankulkijoiden siltoja on painettu COBOD ja Webuild Euroopassa, sauvat jopa 30 metriä. MX3D silta[] sisältää sulautettu anturit reaaliaikaista rakenteellista terveyden seurantaa.

Infrastruktuurin korjaus ja huolto

3D-tulostus erinomainen tuottaa epätavanomaisten korjaus komponentteja ikääntyminen infrastruktuuri. Oma salaojitus ritilät, säilyttää seinän lohkot, ja kaivonkansi voidaan tulostaa kysyntään, lyhentämällä lyijy kertaa viikosta tuntiin. Japanissa painetut betoni segmentit on käytetty palauttaa seinät monimutkainen kaarevuus.

Arkkitehtimallit ja -formi

Suuret hiekkatulostimet tuottavat yksityiskohtaisia arkkitehtonisia malleja tuulitunnelien testaamiseen ja asiakasesityksiin. Lisäksi 3D-tulostetut muotit räätälöidyille betonielementeille (esim. vohvelilaatat, kylkiluukuoret) mahdollistavat monimutkaisten geometarien toteuttamisen ilman perinteistä puusepäntyötä.

Tapaustutkimukset Reaalimaailman vaikutusten demonstroimiseksi

ICON... Vulkanuslainen järjestelmä Latinalaisessa Amerikassa

ICON on tehnyt yhteistyötä asunto- ja asunto-organisaatioiden kanssa 50 asunnon tulostamiseksi Meksikon maaseudulla Vulcan II -tulostimellaan. Jokainen 500 neliömetrin koti painettiin alle 24 tunnissa paikallisesti valmistetulla betonilla. Asumisen jälkeiset tutkimukset osoittivat sisäisen lämpötilan vakauden ja kustannussäästöjen olevan 35% verrattuna perinteiseen muurausrakentamiseen.

COBOD BOD2 Euroopassa

COBOD.S BOD2 tulostin loi kolmekerroksisen rakennuksen Kööpenhaminassa Tanskassa, jossa on painetut seinät ja integroidut vahvistimet. Projekti saavutti tulostusnopeus 100 senttimetriä sekunnissa ja säilytti rakennesertifioinnin eurooppalaisilla rakennuskoodeilla.

MX3D Steel Bridge

Amsterdamin 12-metrinen jalankulkusilta - Oudezijds Achterburgwalin kanaalissa - painettiin kuusiakselisilla roboteilla kaasumetallikaarihitsauksella. Testi paljasti kuorman kantavuuden ylittäen suunnitteluvaatimukset 40%, ja silta orgaaninen rakenne vähentää materiaalia 60% verrattuna perinteiseen terästeippiin.

Laajalle levinneen käyttöönoton haasteet

Materiaalirajoitteet

Nykyinen tulostettava betoni usein puuttuu kuituvahvistus tai vaativat omistusoikeudellisia lisäaineita saavuttaa lamankestävyys ja tulostettavuuden. Teräsvahvistus integrointi on edelleen vaikeaa; jotkut lähestymistavat tulostaa tyhjyyksiä jälkijännitettävä baareja tai käyttää painettuja kuituja, mutta side vahvuus testit osoittavat vaihtelua. Geopolymeerit ja magnesium-pohjainen sementti tarjoavat vähemmän hiilijalanjäljet mutta on hitaampi vahvuus voitto.

Mittakaava- ja kuljetusrajoitukset

Gantry-tulostimet vaativat vakaan jalanjäljen, joka voi olla suurempi kuin rakenne, joka rajoittaa sovelluksia ruuhkaisissa kaupunkikohteissa. Mobiilirobottiaseet ovat rajalliset (tyypillisesti 3...4 metriä), jolloin monikerroksinen tulostus riippuu nosturi-avusteisen uudelleensijoittamisen. Sillan painaminen edellyttää usein esivalmistusta hallituissa tiloissa, mikä vähentää sen etuja.

Rakennuskoodit ja sertifiointi

Useimmat rakennuskoodit on kirjoitettu perinteisiä rakennusmenetelmiä varten. 3D-tulostettujen rakenteiden hyväksyminen edellyttää usein vastaavuustutkimuksia, suorituskyvyn testausta ja vertaisarviointia. Kansainvälinen säännöstöneuvosto (ICC) on käynnistänyt standardien kehittämisen (esim. AC509), mutta käyttöönotto on epätasaista eri lainkäyttöalueilla. Vakuutusvakuuttajat ovat varovaisia ja joissakin hankkeissa tarvitaan kolmannen osapuolen rakenteellista seurantaa.

Energiankulutus ja laitteiden kustannukset

Teollisuustulostin kuluttaa 20.40 kW käytön aikana. Ostohinta suuri-muotoinen tulostin ylittää 300.000 dollaria, lisäkustannuksia kuljetuksen, sivuston valmistelu, ja materiaalin käsittely. Pienissä hankkeissa, laitteet kuoletus voi kompensoida työvoiman säästöt.

Kestävä kehitys ja ympäristöjalanjälki

3D-tulostus voi vähentää rakentamisen hiilijalanjälkeä 30.50% pienemmällä materiaalikäytöllä, muottipuun poistamisella ja raskaiden osien kuljetuksella. Tekniikka mahdollistaa myös jäteainesten käytön: betonin murskatut sakot, lentotuhka ja kierrätyslasi-aggregaatit on onnistuneesti muotoiltu painettaviksi laastiksi. TiedeDirect osoittaa, että 30% sementistä korvaaminen kierrätysjauheella säilyttää puristuslujuustason ja vähentää hiilidioksidipäästöjä.

Painon energiaintensiteetti ja nopeasti kovettuneiden sementtisekoitusten sisältämä hiili on kuitenkin otettava huomioon. Elinkaariarvioinnit osoittavat, että nettohyöty on positiivinen, kun materiaalisäästöt ylittävät 25%, mikä vastaa useimpien optimoitujen mallien kynnystä. Kyky tulostaa lomakkeita integroiduilla eristys- ja ilmanvaihtokanavilla parantaa edelleen toiminnallista energiatehokkuutta.

Tulevaisuudennäkymät: kohti itsenäistä rakentamista

Älykkäät tulostusmateriaalit

Itseparannusbetoneja, jotka sisältävät kapseloituja bakteereja tai muotomuistopolymeerejä, mukautetaan 3D-tulostukseen. Nämä materiaalit voisivat itsenäisesti korjata lämpö- tai lastaussyklien käynnistämiä halkeamia. Painettuihin seiniin integroidut vaihemuutosmateriaalit voisivat hallita passiivisesti sisälämpötiloja.

Painaminen paikan päällä ilman scaffolding

Nantesin yliopiston prototyyppi tulosti kolmikerroksisen tornin, jossa kiipeilylauta kiipeilynopeus oli yksi kerros päivässä.

Integrointi BIM:n ja tekoälyn kanssa

Rakennustiedon mallinnus (BIM) työnkulku voi tuottaa tulostin työkalupolkuja suoraan arkkitehtonisista malleista, vähentää tiedon käännösvirheitä. Tekoälyalgoritmit optimoivat tulostussekvenssejä minimoida lämpögradientit, kerrosjäähdytysajat, ja tukirakennevaatimukset. [Autodesk[] on kehittänyt plugins että ommel BIM data robotti käsivarsiohjaimia, mikä mahdollistaa saumattoman digitaalisesta-fyysiseen rakentamiseen.

Off-Site Prefabrication and Modularization

Tehokkain lähiajan liiketoimintamalli voi olla suurten painolevyjen esipainointi tehdasasetuksissa, sitten kokoaminen paikan päällä nosturilla ja ruuvituksella. Tämä lähestymistapa yhdistää 3D-tulostuksen tarkkuuden modulaarisen rakenteen nopeuteen. Varhaiset omaksujat raportoivat 30% syklin lyhenemisestä verrattuna pelkästään paikan päällä tapahtuvaan tulostukseen.

Päätelmät

3D-tulostus on siirtynyt kokeellisten todistelujen lisäksi käytännön maa- ja vesirakentamissovelluksiin, jotka tuottavat mitattavissa olevia etuja materiaalitehokkuudessa, rakentamisen nopeudella ja suunnitteluvapaudessa. Materiaalisertifioinnin, mittakaavan ja rakennuskoodin hyväksymisen haasteet ovat edelleen olemassa, mutta robottijärjestelmien ja betonikemian jatkuva kehitys ratkaisee kriittisimmät pullonkaulat. Insinöörit, jotka yhdistävät lisäaineen valmistuksen suunnitteluun ja rakennustyönkulkuihin, saavat kilpailuetuja kustannus-, kestävyys- ja geometriakyvyssä. Seuraava vuosikymmen tulee todennäköisesti näkemään painetusta infrastruktuurista tulevan hyväksytty standardi.