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ETH Zurich通過數(shù)字化設(shè)計+3D打印開發(fā)“蛋殼”模具,實現(xiàn)更加自由的混凝土結(jié)構(gòu)
時間:2022-10-24    來源:砼策智庫    分享:
瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)的研究人員將數(shù)字化設(shè)計和3D打印鑄造方法相結(jié)合,設(shè)計了一種類似“蛋殼”的3D打印模具工藝,將熔融沉積建模(FDM)的3D打印工藝與快速硬化、按需設(shè)置的混凝土同步澆筑相結(jié)合,使該團隊能夠以更高效的方式生產(chǎn)復(fù)雜、自由形態(tài)的混凝土結(jié)構(gòu)。


瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)的研究人員將數(shù)字化設(shè)計和3D打印鑄造方法相結(jié)合,設(shè)計了一種類似“蛋殼”的3D打印模具工藝,將熔融沉積建模(FDM)的3D打印工藝與快速硬化、按需設(shè)置的混凝土同步澆筑相結(jié)合,使該團隊能夠以更高效的方式生產(chǎn)復(fù)雜、自由形態(tài)的混凝土結(jié)構(gòu)。此外,在連續(xù)澆筑過程中,快速硬化的混凝土可以用最小化的材料側(cè)壓力,允許創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何形狀的混凝土結(jié)構(gòu)。

這項研發(fā)突出了參數(shù)化設(shè)計和機器人制造相結(jié)合所帶來的設(shè)計可能性,這使得設(shè)計師能夠有效地塑造自由形式的混凝土構(gòu)件,而傳統(tǒng)的模板工藝往往屬于勞動密集型且成本高昂。

研究人員表示:“這種被稱為‘蛋殼’的新型制造工藝,允許制造非標、可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的混凝土構(gòu)件,同時能夠集成標準鋼筋,并最小化的減少模板浪費。”

為什么需要借助新的3D打印工藝
來筑造混凝土結(jié)構(gòu)? 

混凝土是世界上使用最多的建筑材料,然而,為了讓混凝土以自由的形態(tài)構(gòu)筑建筑時,它需要由不同材質(zhì)的模板進行支撐,因為它要從流體材料硬化過渡到有形的固體結(jié)構(gòu)。但模板可能是昂貴的,幾乎占材料成本的50%,甚至非標準元素會達到80%~90%,這是目前業(yè)內(nèi)較大的痛點之一。

盡管混凝土可以被塑造成任何形式,但正交結(jié)構(gòu)仍然是標準和普遍推崇的。這意味著非標建筑使用了比實際需要的更多輔助材料,因此創(chuàng)造一種可替代的成型工藝成了很多人的需求。

ETH Zurich的“蛋殼方法論

為了利用SDC(智能動態(tài)鑄造)方法的優(yōu)點,同時消除其缺點,ETH Zurich團隊設(shè)計了他們的“蛋殼概念。該新技術(shù)將大型機器人FDM 3D打印與SDC開發(fā)的按需設(shè)置數(shù)字鑄造系統(tǒng)相結(jié)合,這項嘗試允許通過使用超薄的外殼作為模板來創(chuàng)建更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

研究人員解釋說:“通過打印蛋殼模板,可以在不喪失傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)性能的情況下,生產(chǎn)出更廣泛的幾何形狀?!贝送?,同時進行3D打印模具和填充材料意味著結(jié)構(gòu)在制造過程中不需要移動,從而減少了運輸過程中造成的任何損壞風(fēng)險。

 “蛋殼技術(shù)”為更可持續(xù)地應(yīng)用混凝土結(jié)構(gòu)鋪平道路 

ETH Zurich團隊的建筑研究人員也曾與格拉馬西奧·科勒(Gramazio Kohler)合作,通過數(shù)字化設(shè)計和機器人3D打印開發(fā)了“蛋殼亭”裝置,該裝置曾在德國維特拉設(shè)計博物館展出,通過使用蛋殼技術(shù),進行參數(shù)字化設(shè)計和計算,從而生成幾何結(jié)構(gòu)形狀和3D打印的制造數(shù)據(jù)。

“蛋殼亭”結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外層薄模板只有3~5mm厚。模板材料是由玻璃纖維增強PET -G組成,部分材料也回收自之前使用過的“蛋殼”模板。根據(jù)ETH Zurich和格拉馬西奧·科勒研究中心(Gramazio Kohler Research)的研究,打印四根柱子中的每根需要大約6個小時,而打印四個面板中的每個面板需要16個小時。常規(guī)鋼筋用于加固樓板和柱,它們由可逆接頭連接,因此可以將展館拆開并組裝在不同的位置。

這些元素由兩種不同類型的混凝土鑄造而成。一方面,柱子由快速凝固的混凝土澆筑而成,采用了數(shù)字控制澆筑工藝??焖倌痰幕炷翆δ0宓膫?cè)壓力降至最低,因此可以使用薄的3D打印模板(“蛋殼模板”)。另一方面,樓板由傳統(tǒng)的自密實混凝土澆筑而成,因為模板壓力因高度低而受到限制,一旦混凝土完全固化,模板將被移除、清洗、粉碎,并重新組裝,以便在新的3D打印中重復(fù)使用。

該設(shè)計突出了3D打印模板與傳統(tǒng)加固和組裝方法結(jié)合的前景。它展示了蛋殼技術(shù)如何作為一種工業(yè)可擴展系統(tǒng)用于高效材料的混凝土結(jié)構(gòu),并為建筑中更可持續(xù)地使用混凝土鋪平了道路。

該項目強調(diào)了數(shù)字話設(shè)計工具和機器人制造相結(jié)合的設(shè)計可能性

蛋殼館結(jié)構(gòu)構(gòu)件的薄模板只有3~5mm厚

打印每一個柱子大約需要6個小時,
而打印每個面板大約需要16個小時

這些柱子由快速凝固的混凝土澆筑而成,
采用數(shù)字控制澆筑工藝

圖片版權(quán) ? ETH ZurichGramazio Kohler Research


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