Civil Engineering Construction Methods에 3D 프린팅의 영향

3D 프린팅의 진화

민간 엔지니어링의 첨가제 제조의 여행은 1980 년대 초반 실험으로 시작되며, 최초의 입체적 인 층별 제조가 입증되었습니다. 건설 부문은 초기 3D 프린팅을 채택하여 모델과 formwork의 조업을 생산합니다. 중형 2000 년대에 전량적인 건물 구성 요소의 인쇄를 가능하게하는 대형 압출 시스템에서 진보를 이루었습니다. 오늘날 기술은 전체 벽 시스템, 교량 세그먼트 및 서식지의 전체 벽 시스템을 제공하기 위해 성숙했으며, 심지어 서식지의 주거용 주거용 주거용, 10 밀리미터의 미세한 층별 설계로 인쇄됩니다.

Core Technologies 건설에 대한 첨가제 제조

압출 기반 인쇄

콘크리트 3D 프린팅의 가장 일반적인 방법은 로봇식 갠트리 또는 로봇식 팔 압출 노즐을 통해 시멘트 재료. 물자는 냉간 관절없이 신관을 일시적으로 차단하는 제어 층에서 증착됩니다. ICON]는 이 기술을 사용하여 24 시간 이내에 인쇄 된 집을 시연했습니다.

분말 침대 융합 및 Binder Jetting

분말 기반 시스템은 액체 바인더를 분말 (샌드, 세라믹, 또는 지오폴리머)의 얇은 층에 적용하여 복잡한 지오메트리를 만들 수 있습니다. 이 방법은 고해상도 구성 요소를 생산하지만 구조적 인 강도를 달성하기 위해 포스트 처리 열 처리를해야합니다.

로봇 팔 증착

산업 로봇 팔 (예 : KUKA, ABB) 전문 압출 기가 장착 된 6 축 자유를 제공 할 수 있습니다 비 플래너 모양, 오버행 및 곡선 구조 지원 자료없이. 이 유연성은 건축 외관 및 사용자 정의 브리지 요소에 대한 가치입니다.

업계 데이터에 의해 지원되는 주요 혜택

민간 공학의 3D 인쇄의 장점은 단순히 이론적 인 것은 아닙니다. 그들은 프로젝트 결과에 의해 뒷받침됩니다.

Material Waste Reduction: Traditional Construction은 절단오프 및 과주문으로 인해 10~15%의 폐기물을 생성합니다. 첨가제 제조는 필요한 물질만을 사용하며, 대부분의 인쇄 프로젝트에서 3 % 미만의 폐기물을 절단합니다. Stuttgart 대학의 연구는 기존의 강화된 콘크리트와 비교하여 3D 프린팅된 열에 대한 재료 사용의 60 % 감소를 보여주었습니다.
건축 속도: 일반적인 단일 층 집은 기존의 방법으로 4 ~ 6 주 정도 걸립니다. 3D 프린팅은 구조적 쉘을 2 일 이내에 줄일 수 있습니다. Apis Cor]] 러시아의 집은 24 시간 사이트에서 인쇄되었습니다.
Design Freedom: 곡선 벽, 유기 모양, 과 비싸다 formwork 또는 CNC 밀링 금형이 추가 비용 없이 생산할 수 있는 topology 최적화 구조. 이 엔지니어가 로드 경로 최적화 및 재료 질량을 줄일 수 있습니다.
총 비용 절감: 프린터 장비는 40-60%의 자본 집중, 노동 절약 및 30~50%의 재료 절감은 종종 1,000 평방 미터를 초과하는 프로젝트에 대한 초기 투자를 상쇄합니다. 대규모 인프라 요소에 대한 25-40%의 Deloitte 추정 수명주기 비용 절감에 의해 보고서.

응용 프로그램 토목 공학 스펙트럼 건너

주거 및 상업 건물

전체 벽, 기초 및 파티션 시스템은 현장 또는 조립식 패널로 인쇄됩니다. 텍사스 오스틴의 ICON의 "House Zero"는 내부 및 외부 벽을 통합 유틸리티 추적으로 인쇄했습니다. 이 접근법은 특히 노동 및 운송 비용이 높을 수있는 원격 위치에 저렴한 주택에 적합합니다.

교량과 도보

암스테르담의 MX3D 강철 교량은 6 축선 로봇에 의해 인쇄되고 스테인리스에서 용접해, 구조상 금속을 위한 첨가물 제조를 보여줍니다. 구체적인 도보 교량은 COBOD에 의해 인쇄되고 유럽에서, 30 미터까지. MX3D 교량 ]는 순간 구조상 건강 감시를 위한 묻힌 감지기를 포함합니다.

인프라 수리 및 사용자 정의 부품

3D 프린팅은 비표준 수리 부품 생산에 탁월합니다. 사용자 정의 배수 삐걱거리는, 유지 벽 블록, 맨홀 뚜껑은 수요에 인쇄 될 수 있으며, 리드 타임을 주에서 시간으로 줄입니다. 일본에 인쇄 된 콘크리트 세그먼트는 복잡한 곡률을 가진 해벽을 복원하는 데 사용되었습니다.

건축 모형과 Formwork

대형 모래 프린터는 풍력 터널 테스트 및 클라이언트 프리젠 테이션에 대한 자세한 건축 모델을 생산합니다. 또한, 3D 인쇄 formwork 맞춤형 콘크리트 요소 (예 : waffle Slabs, ribbed shells)를 위해 전통적인 목공없이 복잡한 형상을 구현 할 수 있습니다.

사례 연구 Real-World Impact를 발표

ICON의 Vulcan 시스템

ICON은 Vulcan II 프린터를 사용하여 시골 멕시코의 50 주택을 인쇄하는 주거 비영리 단체와 협력했습니다. 각 500 평방 피트 홈은 현지에서 공급 된 콘크리트로 24 시간 이내에 인쇄되었습니다. 포스트 점령 조사는 전통적인 masonry 건축과 비교된 35%의 내부 온도 안정성과 비용 절감을 나타냅니다.

유럽의 COBOD BOD2

COBOD의 BOD2 프린터는 코펜하겐, 덴마크, 인쇄 벽 및 통합 보강 덕트와 함께 세 층 건물을 만들었습니다. 이 프로젝트는 초당 100 센티미터의 인쇄 속도를 달성했으며 유럽 건물 코드의 구조 인증을 유지합니다.

MX3D 강철 교량

암스테르담의 Oudezijds Achterburgwal 운하에 12 미터 보행자 교량은 가스 금속 아크 용접을 사용하여 6 축선 로봇에 의해 인쇄되었습니다. 시험은 40%에 의하여 디자인 필요조건을 초과하는 짐 방위 수용량을 계시하고, 교량의 유기 디자인은 전통적인 강철 트러스에 60% 상대적에 의하여 물자를 감소시킵니다.

Widespread 배포를 직면하는 도전

물자 Constraints

현재 인쇄할 수 있는 콘크리트는 수시로 섬유 보강이 부족하거나 slump 저항 및 인쇄성을 달성하기 위하여 독점적인 첨가물을 요구합니다. 강철 보강 통합은 어렵습니다; 몇몇 접근은 포스트 긴장 막대기를 위한 공극을 인쇄하거나 인쇄한 섬유를 이용하고, 그러나 결합 강도 시험은 variability를 보여줍니다. Geopolymers와 마그네슘 근거한 시멘트는 더 낮은 탄소 발자국을 제안하고 그러나 더 느린 힘 이익을 비치하고 있습니다.

규모 및 운송 제한

Gantry 프린터는 혼잡 한 도시 사이트에 응용 프로그램을 제한 구조보다 더 큰 안정적인 발자국을 필요로한다. 모바일 로봇 팔은 크레인 보조 재조합에 따라 다층 인쇄 의존을 만드는 제한적 인 도달 (일반적으로 3 ~ 4 미터)을 가지고있다. 교량 인쇄는 종종 제어 시설에서 조립식을 필요로하며 현장 혜택을 줄 수 있습니다.

건물 코드 및 인증

대부분의 건물 코드는 기존 건설 방법에 대해 작성됩니다. 3D 프린팅 구조의 승인은 종종 평등 연구, 성능 테스트 및 동료 검토가 필요합니다. 국제 코드위원회 (ICC)는 표준 개발 (예 : AC509)을 시작했지만 채택은 관할 구역에서 일어납니다. 보험 underwriters는 신중하게 남아 있으며 일부 프로젝트는 타사 구조 모니터링이 필요합니다.

에너지 소비 및 장비 비용

산업용 프린터는 작동 중 20 ~ 40kW를 소비합니다. 대형 프린터의 구매 가격은 운송, 사이트 준비 및 자재 취급에 대한 추가 비용으로 $ 300,000을 초과합니다. 작은 프로젝트의 경우 장비 분류는 노동 절약을 상쇄 할 수 있습니다.

지속가능성 및 환경 발자국

3D 프린팅은 낮은 재료 사용, formwork 목재 제거, 무거운 부품의 운송 감소를 통해 30-50 %의 건설의 탄소 발자국을 줄일 수 있습니다. 기술 또한 폐기물 파생 물질의 사용을 가능하게합니다 : 분쇄 콘크리트 벌금, 비행 재, 재활용 유리 집계는 성공적으로 인쇄 가능한 박격포로 공식화되었습니다. ScienceDirect의 연구는 CO2 배출을 감소시키기 위해 시멘트를 대체하는 것을 나타냅니다.

그러나, 인쇄의 에너지 강렬 및 급속한 시멘트 혼합물의 embodied 탄소는 요인되어야 합니다. 수명주기 평가는 물자 저축이 25%를 초과할 때, 가장 낙관한 디자인 대회를 초과할 때 순 이익이 긍정적 인다는 것을 보여줍니다. 통합 절연제와 환기 수로를 가진 인쇄 모양에 능력은 가동 에너지 성과를 더 강화합니다.

미래 전망: 자율적인 건설을 통해

Smart Printing 재료

캡슐화 된 박테리아 또는 모양 메모리 폴리머를 포함하는 자기 치유 콘크리트는 3D 인쇄에 적합하다. 이 재료는 열 또는 로딩 사이클에 의해 시작된 수 수 있는 수 있습니다. 인쇄 된 벽에 통합 된 단계 변화 재료는 수동으로 실내 온도를 관리 할 수 있습니다.

비계 없이 현장 인쇄

각 이야기로 상승하는 프린터는 여러 시작으로 개발 중입니다. 이 시스템은 외부 크레인과 비계에 필요한 것을 방지하고, 중층 건물의 신속한 건설을 가능하게합니다. Nantes 대학의 프로토 타입은 하루에 한 층의 비율로 등산 갠트리를 가진 세 층 타워를 인쇄했습니다.

BIM 및 AI와 통합

건축정보 모델링(BIM) 워크플로우는 건축모델에서 직접 프린터 툴이 생성될 수 있으며, 데이터 번역 오류를 줄임. 인공 지능 알고리즘은 열 윤활제, 층 냉각 시간 및 지원 구조 요구 사항을 최소화하기 위해 인쇄 시퀀스를 최적화합니다. Autodesk는 로봇식 암 컨트롤러에 BIM 데이터를 걸러낸 플러그인을 개발하여 원활한 디지털 방식으로 물리적 구조를 구현합니다.

Off-Site 조립식 및 모듈화

가장 효율적인 근실한 비즈니스 모델은 공장 설정에서 대형 인쇄 패널을 조립식으로 만들 수 있으며, 그 후 크레인과 볼트를 갖춘 현장을 조립할 수 있습니다. 이 접근 방식은 모듈 구조의 속도와 3D 프린팅의 정밀도를 결합합니다. 초기 채택자는 현장 인쇄에 비해 30 % 사이클 시간 감소를보고합니다.