Изучение использования 3d-печати в производстве компонентов Truss Bridge

Введение: Переход к аддитивному производству в гражданском строительстве

В течение десятилетий мосты из трусов полагались на стальные и железные компоненты, сформированные посредством сварки, литья и обработки. В то время как эти методы производят надежные структуры, они приходят с ограничениями в сложности проектирования, отходах материалов и сроках производства. Аддитивное производство - обычно известное как 3D-печать - предлагает новый путь для изготовления компонентов моста из трусов, который переворачивает многие из этих ограничений на их голову. Построение деталей слой за слоем из цифровых моделей, 3D-печать позволяет сложные геометрии, уменьшает отходы и сокращает цепочки поставок. В этой статье исследуется текущее состояние, преимущества, материалы, проблемы и будущая траектория применения 3D-печати для изготовления компонентов моста из трусов.

Механика 3D-печати для структурных компонентов

3D-печать в контексте крупномасштабных структурных компонентов значительно отличается от настольных нитевых принтеров. Системы промышленного класса используют такие методы, как слияние порошкового слоя, направленное осаждение энергии или струйное связывание для работы с металлами и композитами. Для деталей моста фермы - пластины, узлы, соединительные скобки и даже целые сегменты фермы - процесс начинается с 3D-модели, созданной в программном обеспечении автоматизированного проектирования (CAD). Модель нарезается на тонкие слои, и материал для принтера соответственно откладывается. Постобработка часто включает термическую обработку, отделку поверхности и тестирование качества для удовлетворения стандартов гражданского строительства. В отличие от субтрактивного производства, где материал отрезан от твердого блока, аддитивные методы создают материал только там, где это необходимо, что приводит к более эффективному использованию сырья.

Чем крупномасштабное аддитивное производство отличается от настольной печати

Настольные 3D-принтеры обычно обрабатывают термопласты при объеме сборки, измеренном в сантиметрах. Промышленные принтеры для мостовых компонентов работают в гораздо большем масштабе - некоторые имеют объемы сборки, превышающие несколько кубических метров. Они используют мощные лазеры или электронные пучки для плавления металлических порошков или экструзионных систем, которые откладывают смеси на основе бетона. Требования к разрешению слоя, скорости и структурной целостности гораздо более строгие. Для компонентов моста фермы акцент делается на достижение механических свойств, эквивалентных или лучше, чем у проката стали или чугуна. Достижения в стандартах ASTM для аддитивного производства , постепенно обеспечивают руководящие принципы для квалификации печатных металлических деталей в несущих приложениях.

Высокопрочные стали, титановые сплавы (Ti-6Al-4V) и алюминиевые сплавы (например, AlSi10Mg) являются наиболее распространенными металлами, используемыми в аддитивном производстве для структурных применений. Сталь обеспечивает лучший баланс прочности, стоимости и знакомства для гражданских инженеров. Титан обеспечивает исключительную коррозионную стойкость и высокое соотношение прочности к весу, что делает его привлекательным для прибрежных мостов или пешеходных мостов, где вес имеет значение. Алюминий легче, но обычно имеет более низкую усталостную прочность - подходит для непервичных путей нагрузки или временных структур. Исследовательские группы, такие как Eureka Magazine сообщили об использовании напечатанных узлов из нержавеющей стали 316L в полномасштабных демонстрациях ферм.

Инженерные пластмассы и композиты

Для не несущих нагрузку компонентов, таких как защитные крышки, направляющие лопатки или временная опалубка, пластмассы инженерного класса, такие как полиамид (нилон), кетон из полиэфирного эфира (PEEK), и армированные волокном нити, обеспечивают достаточную прочность и превосходную коррозионную стойкость. Эти материалы обычно легче металлов и их легче печатать на менее дорогих машинах. Однако они еще не широко приняты для первичных конструктивных элементов из-за проблем ползучести и УФ-деградации. Текущая работа направлена на улучшение долгосрочных характеристик печатных композитов с помощью контроля ориентации волокна и покрытий.

Бетонные и цементные материалы

В то время как мосты из трусов в основном стальные, некоторые гибридные конструкции включают бетонные панели палубы или начинку. Была продемонстрирована крупномасштабная бетонная 3D-печать для мостовых компонентов, таких как ограждения, колонны и даже целые пешеходные арки. Для применений моста из трусов бетонная печать может использоваться для создания пользовательских блоков балласта, опор крепления или эстетически детализированных декоративных панелей. Преимущества включают быструю конструкцию без опалубки и возможность встраивать арматуру в процесс печати. Исследовательская группа по бетонной печати в TU Delft 3D впервые применила методы печати структурных элементов с интегрированной арматурой.

Промышленные металлические 3D-принтеры могут стоить от нескольких сотен тысяч до более миллиона долларов за единицу. Сами порошковые материалы часто дороже, чем объемная прокатная сталь или чугун. Для типичного проекта моста из трусов стоимость единицы на печатный компонент может быть выше, чем обработанные или литые альтернативы, если деталь не является особенно сложной или объем производства очень низок. Однако, по мере развития технологии и увеличения конкуренции, ожидается снижение затрат. Аналитики из проекта IDTechEx ], что рынок строительства аддитивного производства значительно вырастет в ближайшее десятилетие, отчасти благодаря инфраструктурным приложениям.

Тематические исследования и реальные мировые реализации

Несколько новаторских проектов продемонстрировали жизнеспособность 3D-печатных компонентов в мостах, предоставляя ценные уроки для отрасли.

Мост MX3D в Амстердаме

Хотя это и не мост, пешеходный мост MX3D через канал Oudezijds Achterburgwal в Амстердаме является знаковым примером крупномасштабной металлической 3D-печати. Изготовленный роботами с использованием проволочного дугообразного аддитивного производства (WAAM) из нержавеющей стали, мост имеет плавную органическую конструкцию, которая была бы невозможна традиционными методами. Проект подтвердил использование 3D-печати для структурных пешеходных несущих элементов и стимулировал дальнейшие исследования в области применения ферм. MX3D с тех пор сотрудничал с инженерными фирмами для изучения печатных узлов для стальных мостов.

Печатные стальные узлы на китайских пешеходных мостах

В Китае исследователи имеют 3D-печатные полые стальные узлы для пешеходного моста с использованием селективного лазерного плавления (SLM). Узлы были спроектированы с внутренними решетчатыми конструкциями для снижения веса при сохранении прочности. Мост, установленный в парке в Шанхае, служит демонстрацией того, как аддитивное производство может производить сложные соединения, которые превосходят простые сварные пластины гусета как по эстетике, так и по структурной эффективности.

3D-печатное металлическое трусовое соединение BAM Infrastructure

BAM, крупная голландская строительная фирма, произвела полномасштабное 3D-печатное стальное соединение для моста в сотрудничестве с компанией Arup и специалистом по 3D-печати Sandvik. Соединение было напечатано из нержавеющей стали 316L с использованием термоядерного порошка, затем подвергнуто статическому и усталостному тестированию. Результаты показали производительность, эквивалентную или лучшую, чем традиционное литое соединение, и проект помог разработать пути сертификации для будущих печатных стальных компонентов в гражданской инфраструктуре.

Будущие направления и приоритеты исследований

Путь вперед для 3D-печати в производстве мостов включает в себя несколько ключевых областей развития.

Многоматериальная печать и градиентные структуры

Будущие принтеры могут осаждать различные материалы в одной и той же части, создавая функционально градуированные структуры. Например, узел фермы может иметь более твердую, износостойкую поверхность в болтовых отверстиях, в то время как интерьер остается пластичным для поглощения энергии. Это позволило бы оптимизировать сверх того, что возможно с однородными материалами. Ранние исследования направленного осаждения энергии показали перспективу для гибридных компонентов из стали в нержавеющую сталь.

Интеграция с цифровыми Twin и BIM

Сочетание 3D-печати с информационным моделированием зданий (BIM) позволяет обеспечить беспрепятственный поток данных от проектирования до изготовления. Каждый печатный компонент может быть помечен уникальным идентификатором, связывающим его свойства материала, параметры печати и записи контроля качества. Этот цифровой поток поддерживает долгосрочный мониторинг, техническое обслуживание и возможную переработку моста. Поскольку владельцы инфраструктуры требуют большего управления жизненным циклом, управляемым данными, печатные компоненты со встроенными датчиками могут стать нормой.

Мобильная печать и строительство на месте

Вместо того, чтобы печатать компоненты на заводе и отправлять их на место, в будущем в строительстве могут использоваться портативные козловые принтеры, которые производят элементы фермы непосредственно там, где они будут установлены. Это устранит транспортные ограничения и позволит в последнюю минуту изменить дизайн. Исследовательский институт CETIM во Франции изучает мобильные роботизированные руки для осаждения металла на месте для ремонтных применений, которые могут быть распространены на полномасштабное изготовление ферм.

Устойчивость и круговая экономика

3D-печать может поддерживать круговую экономику, позволяя восстанавливать изношенные или поврежденные компоненты. Вместо того, чтобы стирать весь элемент фермы, изношенная поверхность подшипника или соединительный тяг могут быть напечатаны на существующей детали с использованием методов аддитивного ремонта. Это снижает расход материала и продлевает срок службы мостовых активов. Оценки жизненного цикла показывают, что аддитивное производство может снизить углеродный след строительства моста на 10-30% по сравнению с обычными методами, особенно когда оптимизированные конструкции уменьшают количество необходимого материала.

Вывод: дополнительная технология

3D-печать не собирается заменять традиционную прокладку мостов оптом. Литье, сварка и обработка доказали свою надежность и экономическую эффективность для подавляющего большинства компонентов. Вместо этого аддитивное производство заполнит конкретные ниши - сложные узлы, индивидуальные модернизация, производство в небольших объемах и аварийный ремонт - где его уникальные преимущества перевешивают его текущие ограничения. По мере того, как материаловедение продвигается, стандарты созревают, а затраты на оборудование падают, роль 3D-печати в строительстве мостов будет расти, позволяя более легким, более долговечным и более устойчивым мостам. Инженеры и владельцы инфраструктуры, которые инвестируют в понимание этой технологии сегодня, будут хорошо позиционированы, чтобы использовать ее потенциал в ближайшие десятилетия.