Инновации в производстве стали для использования в 3D-печатных строительных компонентах

Строительная отрасль претерпевает сдвиг парадигмы с интеграцией аддитивного производства, обычно известного как 3D-печать, в процессы строительства. Эта технология позволяет создавать высоко настраиваемые сложные геометрические компоненты, которые ранее были невозможны или неэкономичны с традиционными методами. Критически важной технологией, обеспечивающей безопасность, прочность и долговечность этих 3D-печатных конструкций, является предварительный стресс стали. Недавние инновации в стальных составах, покрытиях и встроенных технологиях теперь специально адаптированы для уникальных требований 3D-печатных бетонных элементов, раздвигая границы того, что архитектурно и структурно осуществимо. Эта статья исследует эти достижения, их применение и будущее усиленного аддитивного строительства.

Эволюция престрессовой стали в строительстве

Престрессовая сталь была краеугольным камнем современного гражданского строительства более века, в основном используется в мостах, высотных зданиях и парковочных сооружениях. Принцип прост, но мощный: высокопрочные стальные сухожилия или кабели напрягаются для применения сил сжатия к бетону, противодействуя растягивающим силам, с которыми не может справиться один бетон. Этот метод значительно увеличивает нагрузку, уменьшает растрескивание и позволяет проводить более длинные промежутки с более тонкими секциями. Традиционные методы предварительного натяжения включают литье бетона вокруг напряженных сухожилий или применение напряжения после отверждения бетона (постнатяжение). Однако появление 3D-печати вводит новые ограничения: бетон экструдируется слоями, часто без опалубки, а процесс печати может включать быструю настройку, высокие температуры и сложные кривизны. Ранние попытки просто интегрировать обычную предварительную сталь в 3D-печатные элементы сталкиваются с такими проблемами, как плохая связь с слоистым бетоном, коррозия в открытых средах и трудности с размещением сухожилий в сложных печатных геометриях.

Основы предварительного нажатия на сталь

Как работает стресс

Престрессирование предполагает применение постоянной силы сжатия к бетону до того, как он подвергается рабочим нагрузкам. Это достигается натяжением высокопрочных стальных нитей (обычно семипроводных нитей) или стержней. Сталь подвергается натяжению до высокого процента ее предела прочности, и сила передается бетону через механические крепления или связь. Затем бетон испытывает «предварительную нагрузку» на сжатие, которая отменяет растягивающие напряжения от нагрузок. Для компонентов, напечатанных на 3D-принтере, это особенно ценно, потому что слоистая природа печатного бетона может создавать слабые плоскости, которые уязвимы для разрыва. Престрессинг может преодолеть эти слабости, создавая монолитную, непрерывную зону сжатия.

Типы престрессовой стали

Проблемы в сочетании стресса с 3D-печатью

Интеграция престрессовой стали в 3D-печатные строительные компоненты представляет собой конкретные трудности, которые привели к инновациям:

Ключевые инновации в производстве стали для 3D-печати

Гибкие и формируемые стальные тендоны

Традиционные предстрессовые нити жесткие и имеют минимальный радиус изгиба, что ограничивает их использование в изогнутых печатных элементах. Последние металлургические достижения произвели новые стальные сплавы с повышенной пластичностью, не жертвуя прочностью на растяжение. Эти сухожилия могут быть согнуты до гораздо более узких радиусов, что позволяет им следовать извилистым траекториям 3D-печатных стен, арок и раковин. Некоторые инновации включают оплетенную или тканую структуру, которая обеспечивает как гибкость, так и высокую грузоподъемность. Эти гибкие сухожилия часто доставляются в катушки печати, интегрируются в экструзионную головку или помещаются после печати с использованием роботизированных змеевидных рук.

Коррозионно-стойкие технологии покрытия

Прочность бетонных конструкций, напечатанных на 3D-принтере, является серьезной проблемой, особенно для открытых элементов, таких как мостовые пирсы или фасады зданий. Новые коррозионностойкие покрытия для предварительного натяжения стали специально разработаны для связи с высокощелочной средой свежего бетона, а также для сопротивления атаке от карбонирования или хлоридов. Для 3D-печати эти покрытия также должны выдерживать силы сдвига процесса экструзии и повышенные температуры, которые могут возникать во время отверждения.

Встроенные интеллектуальные датчики и мониторинг

Одним из наиболее перспективных нововведений является интеграция волоконно-оптических датчиков, тензодатчиков или пьезоэлектрических элементов непосредственно в или на подвесную сталь. Эти датчики могут измерять напряжение, температуру и акустические выбросы в режиме реального времени. Для компонентов, напечатанных на 3D-принтере, это позволяет:

Беспроводная передача данных интегрируется, устраняя необходимость в физических разъемах, которые могут поставить под угрозу печать. Например, исследователи из TU Eindhoven продемонстрировали сухожилия с RFID-метками, которые сообщают данные о деформации в течение срока службы печатного луча.

Высокотемпературные и огнестойкие стали

Некоторые процессы 3D-печати включают в себя отверждение на месте с помощью тепла или использование встроенных нагревательных элементов для ускорения гидратации. Обычная подстрессовая сталь может терять прочность при повышенных температурах (например, выше 300 ° C). Инновации включают микролегированные стали, которые сохраняют высокую прочность на растяжение до 500 ° C, а также передовые огнестойкие покрытия, которые интумируются для защиты стали. Для печатной инфраструктуры эти материалы обеспечивают структурную целостность во время как изготовления, так и пожара.

Специализированные анчоусы и коннекторы

При этом необходимо надежно переложить на 3D-печатную бетонную массу предударные усилия. В настоящее время разрабатываются новые системы крепления, которые могут быть встроены во время печати, например:

Преимущества передовой престрессовой стали в 3D-печатном строительстве

Сочетание этих инноваций дает значительные преимущества как перед обычными, так и неукрепленными печатными бетонами:

Реальные приложения и тематические исследования

Precast Prestressed Printed Beams for Bridges (Печатные балки для мостов)

Несколько исследовательских проектов и ранних коммерческих применений продемонстрировали жизнеспособность этой технологии. Например, первый 3D-печатный преднапряженный бетонный мост для велосипедистов (расположенный в Неймегене, Нидерланды) использовал комбинацию обычного предварительного натяжения со специально адаптированными нитями с низким коэффициентом расслабления, размещенными в зоне натяжения. Мост, напечатанный Технологическим университетом Эйндховена и BAM Infra, показал, что печатный бетон может соответствовать структурным требованиям при правильном усилении преднапряжённой сталью.

Печатные настенные панели с пост-напряжением

В строительстве высотных печатных стеновых панелей часто требуется подкрепление против ветровых нагрузок. Такие компании, как COBOD и Sika, разработали системы, где постнатяжные кабели размещаются через протоки, напечатанные в стенах. После возведения стены кабели подчеркиваются. Сейчас это используется в проектах доступного жилья в Африке и Европе, где стальная армировка дорогая и печатные стены должны быть экономически жизнеспособными.

Сложные арочные структуры

Арочные и купольные конструкции получают большую пользу от сжимающего характера предварительного нажатия. Помещая изогнутые, гибкие сухожилия вдоль ребер арки, вся конструкция вводится в сжатие, что позволяет создавать чрезвычайно тонкие и открытые конструкции. Использование коррозионностойких покрытых сухожилий имеет решающее значение в этих приложениях из-за воздействия погоды. Примеры включают печатные павильоны и пешеходные дорожки, такие как проект моста «Striatus» ETH Zurich и Block Research Group, в котором использовалась неукрепленная система сухой сборки, но текущие исследования интегрируют предварительный натяжение для более длинных пролетов.

Ремонт и переоборудование

3D-печать может быть использована для добавления предварительного нажатия на существующие поврежденные конструкции путем печати бетонных профилей на поверхности, а затем размещения и натяжения стальных сухожилий внутри них. Этот метод использовался для укрепления колонн и балок в исторических зданиях. Гибкость новых стальных сухожилий имеет важное значение для соответствия существующей структурной геометрии.

Будущие направления

Синергия с расширенными бетонными миксами

Продолжаются исследования по печати бетона, оптимизированного для связи с предварительно напряжённой сталью. Это включает использование армированных волокном растворов, самокомпактирующих агентов и нано-кремнезема для улучшения адгезии и уменьшения пустот вокруг стали.

Автоматическая интеграция в печатных процессах

Роботизированные руки, оснащенные сухожилиями и системами натяжения, могут помещать и напрягать сталь в режиме реального времени при экструдировании бетона. Это производство замкнутого цикла позволит производить предварительный натяжение «точно в срок», когда напряжение применяется, пока бетон еще свеж, оптимизируя связь и уменьшая потребность в громоздких креплениях.

Цифровые близнецы и блокчейн для обеспечения качества

Каждое умное сухожилие может быть частью цифрового двойника, регистрируя его историю напряжения, температурное воздействие и качество связи. Эти данные могут быть записаны на блокчейне для неизменяемых строительных записей, улучшая процессы сертификации и страхования для печатных структур.

Оценка устойчивости и жизненного цикла

Использование престрессовой стали снижает общее потребление материала.С дальнейшими улучшениями в перерабатываемости стали и разработкой покрытий на основе биоматериалов углеродный след печатных компонентов может быть значительно уменьшен по сравнению с обычным железобетоном.

Заключение

Инновации в производстве престрессовой стали открывают весь потенциал 3D-печатной конструкции. Решая уникальные проблемы аддитивного производства, такие как геометрическая сложность, поведение связей и долговечность окружающей среды, инженеры и ученые-материалисты создали стальные сухожилия, которые являются гибкими, умными, коррозионностойкими и способны выдерживать суровость печати. От мостов до строительных стен интеграция передовых престрессовых конструкций позволяет более легким, прочным и устойчивым. По мере развития технологии мы можем ожидать, что 3D-печатные престрессовые компоненты станут стандартным инструментом в строительной отрасли, предлагая беспрецедентную архитектурную свободу без ущерба для безопасности или долговечности. Сотрудничество между аддитивным производством и материаловедением продолжает открывать новые горизонты, делая будущее строительства действительно захватывающим.

Ссылки для дальнейшего чтения: