Категория: Техника, оборудование и инструменты
Количество статей: 32
Создать статьюЗемляная опалубка для железобетона
ЗD печатная земляная опалубка
Стремительная глобальная урбанизация вынуждает правительства и застройщиков искать технологии, для ускорения строительства жилья и инфраструктуры при низких экономических и углеродных затратах. Здесь мы представляем новый метод изготовления экономически эффективных, оптимизированных по форме, соответствующих нормативным требованиям железобетонных конструкций, отлитых из пригодной для непосредственного повторного использования земляной опалубки с 3D-печатью, называемой земляными работами.
Это исследование демонстрирует потенциал безотходной круглой опалубки, которая может быть изготовлена из строительных отходов непосредственно на строительной площадке. Описаны методы проектирования опалубки и подбора траектории движения инструмента, учитывающие гидростатическое давление, обычное армирование, высокоточные соединения и изготовление сложной трехмерной формы с непрерывной экструзией. Кроме того, оцениваются конструктивные особенности здания и эксплуатационные характеристики метода земляных работ, а также проводится сравнение с существующими технологиями аддитивной опалубки с точки зрения углерода. Мы проводим тематические исследования, демонстрирующие методы изготовления монолитных, наклонных и сборных конструкций на месте для изготовления колонн, балок и каркасов на заказ в соответствии со строительными нормами.
1 Введение
1.1 Двойная проблема быстрой урбанизации и изменения климата.
Поскольку темпы глобальной быстрой урбанизации продолжают расти, исследователи и практики в области архитектуры, инжиниринга и строительства (AEC) вынуждены изучать автоматизацию для ускорения строительства нового жилья и инфраструктуры. В то же время на долю строительной отрасли приходится 11% глобальных ежегодных выбросов углекислого газа, и этот показатель, по прогнозам, будет расти в течение следующих 50 лет. Восемь процентов этого воздействия напрямую связано с производством цемента для производства бетона, который в настоящее время является самым распространенным строительным материалом в мире. Для решения двойной проблемы, связанной с быстрой урбанизацией и воздействием растущих городов на климат, необходимо разработать новые системы, позволяющие свести к минимуму использование бетона в новом строительстве, с использованием глобально масштабируемых технологий автоматизации строительства. Обширный объем исследований иллюстрирует методы сокращения расхода материала в бетонных конструкциях за счет оптимизации формы; однако изготовление конструктивных элементов, оптимизированных по форме, остается серьезной проблемой. Мы представляем новые методы 3D-печати грунта в качестве опалубки для фасонных железобетонных строительных элементов, основанные на ранее запатентованных авторами исследованиях (март 2023 г., в стадии рассмотрения). С помощью аддитивного производства грунт, который часто считается отходом на строительной площадке, может быть преобразован в опалубку, пригодную для многократной переработки, для изготовления конструктивных элементов, оптимизированных по форме, которые легко применяются в промышленности.
1.2 Значение опалубки
Бетон является наиболее широко используемым современным строительным материалом не зря: он дешев и прочен, его компоненты доступны по всему миру, и с использованием одних и тех же основных строительных технологий можно возводить здания широкого спектра типов, от одноэтажных домов до 100-этажных небоскребов. Для многих бетон является символом современности и успеха. Это материал для города 21 века. Существует большая вероятность того, что в обозримом будущем использование бетона будет неуклонно расти. Снижение воздействия материала на климат может быть сведено к трем основным стратегиям:
1. Измените химический состав бетона, чтобы уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу.
2. Измените способ производства цемента.
3. Используйте меньше бетона.
Первая стратегия является предметом обширных исследований с многообещающими, но, в конечном счете, ограниченными результатами с точки зрения экономии CO2 по сравнению с затратами и доступностью . Отходы производства стали и других промышленных процессов могут быть использованы для компенсации части содержания цемента в бетоне. Однако эти потоки отходов поступают из отраслей, которые быстро трансформируются, чтобы уменьшить свое собственное углеродное воздействие и свести к минимуму те самые отходы, которые приводят к конкретному сокращению выбросов.
Во-вторых, перевод производства цемента на электрохимические системы, использующие возобновляемые источники энергии, мог бы сократить часть выбросов, но это дорого и не было продемонстрировано в масштабе .
Третий вариант, казалось бы, прост и применим немедленно: найти способы использовать меньше бетона в новом строительстве. Исследования показали, что более половины бетона в типичном здании является ненужным с конструктивной точки зрения и может быть устранено путем оптимизации формы . Сложность заключается в изготовлении. Железобетонные конструкции, как правило, изготавливаются из одинаковых прямолинейных секций, что позволяет свести к минимуму сложность как опалубки, так и армирования. Любая дополнительная сложность бетонного здания может быть тесно связана с увеличением стоимости и расходом материалов . Уникальная геометрия требует уникальной опалубки и высококвалифицированной рабочей силы для ее изготовления.
В результате повышение материалоемкости бетонных зданий в первую очередь связано с эффективным изготовлением сложной опалубки. Вопрос, рассмотренный в этом исследовании, заключается в том, может ли аддитивное производство с использованием местных материалов сократить разрыв между оптимизированным по форме проектированием конструкций и недорогим и высокоскоростным изготовлением опалубки.
1.3 Цели
Это исследование преследует две цели. Во-первых, использовать возможности аддитивного производства для создания экономически эффективных конструктивных элементов с оптимизированной формой с использованием низкоуглеродистой опалубки, которая может перерабатываться бесконечно. Во-вторых, изложить методологию аддитивного производства опалубки, применимую в различных условиях и типологиях изготовления, включая сборку на месте, сборно-разборную конструкцию и предварительное изготовление. Делая сложную опалубку более доступной, мы даем возможность проектировщикам и строителям выбирать низкоуглеродистые варианты, которые ранее могли быть непомерно дорогими и сложными в изготовлении.
2 Современное оборудование
2.1 Опалубка
Со времен Римской империи опалубка для бетона изготавливалась преимущественно из обработанной древесины. Размер и доступность древесины, а также квалифицированная рабочая сила для придания ей точной формы определили то, что могло быть построено, что привело к распространенной поговорке о том, что бетонное здание “строится дважды”: сначала как конструкция из деревянной опалубки, а затем как монолитная бетонная конструкция.
Сегодня в более сложных проектах из железобетона могут использоваться модульные стальные опалубки или даже массивные опалубочные формы для простых геометрических форм, таких как градирни или каркасы зданий. Однако в большинстве случаев при строительстве жилья и объектов городской инфраструктуры по-прежнему используется система из плоских деревянных досок или фанеры, удерживаемых на месте деревянными опорами. В зависимости от качества материала для опалубки и квалификации строителей, его можно использовать повторно для более чем одной заливки бетона. Однако по истечении срока службы материалы для опалубки, как правило, отправляются на свалку.
Во многих странах мира опалубка из древесины, стали и пенопласта становится все более дорогостоящей, поскольку запасы каждого из этих материалов сокращаются. Поскольку глобальные усилия по снижению воздействия климата на окружающую среду продолжаются, первостепенное значение приобретают масштабируемые технологии, которые обеспечивают как минимальное воздействие выбросов углерода, так и высокую скорость строительства. Было продемонстрировано, что цифровое производство и, в частности, аддитивное производство являются эффективным способом реализации оптимизированных по форме геометрических форм . В Массачусетском технологическом институте были изготовлены образцы с использованием 3D-принтеров из пластика и пенопласта в качестве опалубки для железобетона .
Исследователи из ETH Zurich изучили потенциал минеральных вспененных материалов в качестве опалубки, а также для самонесущих систем перекрытий с прямой порошковой печатью. Кроме того, были изготовлены пресс-формы с ЧПУ для фасонных бетонных балок. Тканевые формы использовались для создания архитектурных сооружений с конца 1800-х годов, а в последнее время стали использоваться в качестве тонкой оболочечной опалубки для больших пролетных строений. Земля также была непосредственно использована в качестве опалубки для низкоуглеродистых фундаментов, таких как высокоэффективные каркасные конструкции hypar. Лед и песок даже использовались в качестве цифровой опалубки для бетона. Каждый из этих примеров предлагает привлекательные возможности для конкретных случаев использования, однако фанерные и стальные опалубки по-прежнему являются отраслевой нормой.
2.2 Опалубка с 3D-печатью
Внедрение масштабируемых автоматизированных методов строительства является широко распространенной проблемой для строительной отрасли. В то время как другие производственные процессы, включая автомобилестроение и технологии, продвигаются вперед с повышением уровня автоматизации, строительство остается в основном ручным процессом. Когда Бехрок Хошневис впервые разработал технологию contour crafting в начале 2000-х годов, одним из первых применений, которое он исследовал, была опалубка для железобетона . 3D-печать на бетоне становится все более распространенным промышленным методом автоматизации в строительстве, в первую очередь в качестве опалубки для более традиционных монолитных железобетонных конструкций, соответствующих нормативным требованиям. Эту технологию можно увидеть в зданиях, производимых по всему миру исследователями и строительными компаниями, в том числе CoBod, Apis Core и Icon. Исследования также показали жизнеспособность раствора, напечатанного на 3D-принтере, для систем перекрытий с оптимизированной формой.
Недавние исследования подробно описали достижения в области цементной опалубки с 3D-печатью , иллюстрируя ключевые различия между существующими типологиями крупномасштабного аддитивного производства (порошковое напыление и наплавка методом плавления). По мере развития технологии за последние два десятилетия аналогичные исследования в области опалубки проводились и с другими промышленными материалами, включая термопласты, геополимеры и керамику. Каждый из этих подходов обладает различными преимуществами, начиная от консольной геометрии с высоким разрешением, которая печатается в течение нескольких дней на пластике , и заканчивая геометрией с низким разрешением, которая печатается за считанные минуты с использованием строительных растворов и минеральных композитов. Напечатанные керамические материалы использовались в качестве дополнительной опалубки в обожженном и необожженном состоянии, а их точность/деформация при литье оценивались с помощью 3D-сканирования (Bruce et al., 2021; Mohamed Ismail, 2023). В каждом из этих исследований постоянно приходится искать компромисс между скоростью изготовления, разрешением /геометрической свободой и точностью, а также характеристиками материала. В этом исследовании мы работаем над тем, чтобы сбалансировать эти компромиссы, создавая систему, которая может быть развернута на месте или в условиях заводского изготовления с использованием отходов грунта, уже имеющихся на строительных площадках.
В каждой системе ключевыми моментами являются интеграция арматуры и срок службы материала для опалубки. Поиск методов использования стандартной конструкции арматуры, изготовленной из арматуры доступных размеров и обычной формы, способствует более широкому применению этих методов опалубки. Время, необходимое для изготовления достаточно прочного каркаса из арматуры, может значительно превышать время, необходимое для изготовления опалубки традиционным способом или с использованием аддитивных технологий. Таким образом, в промышленности часто используются стандартные сборные элементы. Чтобы реализовать потенциал массовой кастомизации для экономии материалов и свободы проектирования, необходимо уделять одинаковое внимание опалубке и армированию.
В случае использования устаревшей опалубки армирование может потребоваться выполнять последовательно или в виде модульных элементов по мере выполнения печати, что может привести к дополнительной сложности и увеличению расхода используемой стали, что приведет к более высокому выбросу углерода. В этом исследовании мы исследуем различные подходы к армированию и методы массового изготовления каркасов из арматуры на заказ для интеграции с земляной опалубкой, напечатанной на 3D-принтере.
Широкий спектр экспериментов с 3D-печатью архитектурного масштаба можно грубо сравнить с интерпретацией вертикальной скорости печати (VPR) как показателя времени на квадратный метр, который обсуждался в предыдущих исследованиях. Однако такое сравнение будет иметь смысл только в том случае, если мы предположим, что каждый эксперимент проводился в максимально сжатые сроки на оборудовании высочайшего качества; например, в проектах "Бетонная хореография" и "Параметрические вафельные плиты" использовались аналогичные роботизированные системы и материалы. Однако производительность последней была почти в два раза выше, чем у первой, благодаря промышленному партнеру, который использовал фирменное насосное оборудование и фирменную формулу раствора для 3D-печати, что подчеркивает сложность сравнения существующих экспериментов по опалубке и проверки их воспроизводимости. Примечательно, что ни в одном из предыдущих исследований не была дана оценка содержания углерода в их методе изготовления опалубки.
Что можно сравнить напрямую, так это цикличность описанных процессов. Только опалубка, изготовленная из необожженной глины и грунта, может быть непосредственно использована в процессе печати путем добавления воды. Исследование Исмаила, посвященное недорогой опалубке для фасонных балок, является единственным на сегодняшний день исследованием опалубки, напечатанной на 3D-принтере, в котором предлагается, как можно использовать такие формы для изготовления более чем одной отливки. Однако подобные испытания не проводились в экспериментах с печатью.
2.3 Земляные материалы
Цифровое производство с использованием грунта - это растущая область исследований, связанная с инновациями в производстве отдельных блоков из сжатого грунта и секций земляных стенок, а также непрерывном или монолитном производстве с использованием насыпного грунта и аддитивного производства. В сфере аддитивного производства важнейшей задачей является превращение принципиально различных материалов местного производства в надежное сырье для прецизионного производства.
В ходе самого раннего исследования 3D-печатных глиняных материалов для опалубки Ванг установил необходимость оценки гидростатического давления в формах. Недавние исследования, проведенные авторами и другими исследователями, подробно описывают полевые испытания и стратегии обработки, необходимые для того, чтобы превратить землю в жизнеспособный материал для получения стабильных результатов 3D-печати в архитектурном масштабе. В этом исследовании методы обработки материала и тестирования для печати earth подробно описаны в предыдущих исследованиях и патентах авторов.
Эти методы включают в себя оценку гидростатического давления и новую стратегию крепления, продемонстрированную в разделе "Практические примеры". В литературе существуют дополнительные пробелы в отношении стратегий поглощения воды и разрушения, которые мы пытаемся устранить с помощью послепечатных покрытий.
2.4 Вычисление и оптимизация формы В значительном количестве исследований подробно описываются методы геометрической оптимизации конструктивных элементов для снижения расхода материалов, что указывает на то, что во многих случаях 50% материалов в конструктивной системе здания не требуются. Примерами этого исследования являются оптимизированные по форме одно- и двухсторонние системы перекрытий, а также подходы к существенной экономии материалов за счет применения каркасных оснований]. Оптимизация формы - это процесс исследования конструкции, в ходе которого параметризованное представление границ ограничено требованиями к прочности и прогибу. Для достижения максимальной экономии материалов часто требуется сложная геометрия. Такая геометрия может включать в себя одинарную и двойную кривизну или пустоты разного размера, что создает общую проблему при изготовлении этих существующих конструктивных систем, оптимизированных по форме. В результате возникает острая потребность в автоматизированных производственных системах, которые могут управлять созданием сложной геометрии по массовым заказам - недостаток, который аддитивное производство потенциально может устранить с минимальными затратами. В этом исследовании проводится синтез текущей оптимизации формы с учетом свойств материалов и оборудования для создания нового вычислительного процесса, подходящего для проектирования и изготовления оптимальной геометрии с использованием материалов местного производства.
2.5 Оценка жизненного цикла строительных процессов Оценка жизненного цикла имеет решающее значение, но часто отсутствует в исследованиях по аддитивному производству бетонной опалубки. Без четкого понимания углеродных затрат на данную стратегию в промышленном масштабе трудно оценить ее эффективность. Эстев-Буррель разработал рекомендации по оценке жизненного цикла и углеродного воздействия керамзитобетонных строительных материалов на ранней стадии проектирования в LCA сравниваются различные системы нанесения керамзитобетонной печати с традиционными строительными материалами и строительным раствором. По сравнению с 3D-печатью на цементном растворе, технология printing earth требует на 2% больше углерода для получения стеновых профилей с эквивалентными конструктивными характеристиками. В этом исследовании сравниваются традиционные и цифровые технологии изготовления бетонной опалубки с точки зрения жизненного цикла.
2.6 Пробелы в исследованиях и возможности Производство добавок для железобетонной опалубки, как и 3D-печать, является растущей областью исследований. В предыдущих исследованиях полномасштабные печатные формы изготавливались из утраченной опалубки, которая часто изготавливалась из высокоуглеродистых материалов, таких как пластик или цемент. Формы, изготовленные из круглых материалов, в частности из необожженной глины, сравнительно малы по размеру, обладают низкой прочностью и медленно изготавливаются. Недостаточно сравнений или дискуссий по поводу компромиссов между стоимостью материалов, углеродными выбросами, точностью и скоростью, которые являются критически важными факторами для промышленного внедрения. В области 3D-печати с использованием керамзита определение характеристик материалов по-прежнему остается сложной задачей. Последние исследования показали тенденцию к разработке керамзитных материалов, которые увеличивают стоимость и воздействие углерода, особенно при добавлении стабилизаторов. В этом исследовании мы анализируем существующие подходы, чтобы сбалансировать перечисленные выше факторы. Основываясь на предыдущих исследованиях [3], [28], мы выбираем минимально модифицированный, тщательно подобранный местный грунт, а затем разрабатываем методы расчета, позволяющие максимально повысить его производительность при строительстве опалубки, уменьшая потребность в характеристиках. В этом исследовании устраняются следующие пробелы в исследованиях:
1. 3D-печать грунта из местных источников для изготовления опалубки.
2. Вычислительные методы управления сушкой форм и гидростатическим давлением во время литья.
3. Методы изготовления откидных/сборных и гибридных печатных/монолитных строительных элементов.
4. Методы эффективной подготовки пресс-форм и выравнивания арматуры.
5. 6-осевая, заполняющая пространство печать с непрерывной экструзией для 3D-форм.
6. Сравнительная оценка жизненного цикла парного метода оптимизации формы и безотходных земляных работ.
Методология изготовления земляной опалубки
Аддитивное производство (AM) - это гибкий метод цифрового производства. В этой работе мы используем технологии AM для производства как готовых строительных элементов, так и временной опалубки для традиционного железобетона.
Технологические и механические параметры используемого местного грунта учитываются на ранней стадии проектирования, чтобы в полной мере использовать строительный потенциал AM. В результате строительные элементы являются экономически эффективными, обладают высокими эксплуатационными характеристиками и производятся с нулевым уровнем отходов. Чтобы протестировать и продемонстрировать использование 3D-печати грунта для опалубки на основе материалов, мы изготовили три прототипа.
1. Монолитная земляная стена, выполняющая роль несъемной опалубки для монолитного изогнутого каркаса, заливается после высыхания насыпанного грунта через 72-96 часов.
2. Откидная форма: Оптимизированная портальная рама 2D-формы, отлитая сбоку в земляной форме, напечатанная и укрепленная оптимизированными опорами, позволяющими выдерживать гидростатическое давление на форму в частично высушенном состоянии, что сокращает время между печатью и отливкой до 12-24 часов.
3. Предварительная обработка: Оптимизированная балка 3D-формы, отлитая в глиняную форму с уплотнением, обеспечивающим равномерную толщину стенок для быстрого высыхания, что позволяет выполнять литье в течение 24-48 часов, и 6-осевые траектории инструмента для наплавки, обеспечивающие геометрическую точность и максимальную экономию материалов.Каждое тематическое исследование требовало внедрения новых методик компьютерного проектирования, основанных на использовании материалов, чтобы свести к минимуму время печати и конкретное использование. В каждом конкретном случае процесс проектирования определяется требованиями Калифорнийского строительного кодекса к конструктивному проектированию и изготовлению бетона, что позволяет нам непосредственно изготавливать прототипы, которые сегодня могут быть использованы в многоэтажном строительстве.
Из простой смеси земли, воды и соломы получается сырье, пригодное для 3D-печати. Подходящая смесь для климатических условий и печати определяется путем корректировки соотношения каждого компонента. Для тематических исследований, описанных в этой статье, использовались два источника грунта: местный грунт-сырец и тот же самый грунт, полученный из предыдущих 3D-отпечатков грязи.
После выемки грунта необработанный грунт просеивается для удаления частиц диаметром более 1 см. Это ограничение определяется насосной системой (полостной насос Imer Small 50 progressive). Просеивание легче производить, когда земля сухая, и при необходимости ее можно рассыпать тонким слоем для просушки на солнце перед просеиванием. Грунт пропускается через просеивающую конструкцию с угловой проволочной сеткой и, таким образом, сортируется до подходящего размера частиц для подачи в устройство для 3D-печати. Существуют и другие промышленные методы для просеивания больших количеств грунта. Однако эти методы выходили за рамки исследования. После просеивания грунта его взвешивают и перемешивают. В данном примере за один раз было перемешано 100 кг грунта. Это приемлемое количество для замеса в бетономешалке объемом шесть кубических футов и транспортировки на тачке. Для получения конечной смеси с гидратацией 15-20% в смеситель добавляют 20 кг воды (по весу), а затем 50 кг сухой земли с шагом по 10 кг. Как только земля и вода станут однородными (перемешивание займет 5-10 минут), добавляют 0,03 кг мульчированной соломы длиной не более 10 сПосле просеивания грунта его взвешивают и перемешивают. В данном примере за один раз было перемешано 100 кг грунта. Это приемлемое количество для замеса в бетономешалке объемом шесть кубических футов и транспортировки на тачке. Для получения конечной смеси с гидратацией 15-20% в смеситель добавляют 20 кг воды (по весу), а затем 50 кг сухой земли с шагопо 10 кг.
Процесс переработки переработанной (уже напечатанной) земли немного отличается, поскольку этот материал уже был просеян и модифицирован соломой. Таким образом, грязь не нужно измельчать и просеивать; ее можно просто повторно увлажнять. Если в буровом растворе, предназначенном для вторичной переработки, содержатся частицы бетона, образовавшиеся в процессе заливки, размером более 1 см, его можно высушить, измельчить и повторно просеять. Переработанный буровой раствор легче повторно увлажнять, если увеличить площадь поверхности за счет измельчения высушенных кусков. Переработанные 3D-отпечатки из грязи измельчаются, взвешиваются и загружаются в тачку с помощью кувалды. Опять же, более промышленные методы измельчения высушенной почвы выходили за рамки исследования. Затем высушенные фрагменты 3D-принтов заливают водой в соотношении 20% по весу. Для перемешивания и переворачивания грунта по мере его увлажнения пригодится мотыга или лопата. Затем измельченные куски и солому можно добавлять в бетономешалку или переворачивать и перемешивать лопаткой до получения желаемой однородной смеси. Выдерживание измельченного материала в течение 12-48 часов способствует полной гомогенизации смеси. Однако, при условии тщательного перемешивания, печать может быть выполнена сразу после повторного замеса грунта. Для ускорения и масштабирования процесса обработки материалов можно использовать крупногабаритное оборудование, используемое в геотехнике, например, просеивающие столы и бетономешалки большего объема.
3.1.1 Особенности сайта Одним из ключевых преимуществ аддитивного производства с использованием грунта является возможность не только изготовления опалубки на месте, но и включения грунта, вынутого во время первоначального строительства, в земляную смесь для опалубки. Изготовление опалубки из вынутого грунта на месте может сократить расходы на транспортировку конструктивных элементов и утилизацию вынутого грунта, а также позволит в режиме реального времени вносить изменения в конструкцию опалубки. Для того чтобы этот подход был эффективным, крайне важно учитывать местные и специфические для участка условия окружающей среды, такие как влажность, осадки и воздействие солнца, а также провести испытания грунта, чтобы оценить его эффективность в качестве опалубки. Условия окружающей среды могут повлиять на соотношение ингредиентов, используемых в грунтовочной смеси, время печати и высыхания. Незначительные изменения в рабочем процессе, такие как затенение, дополнительная вода или вентиляторы, могут быть вызваны колебаниями окружающей среды.
3.1.2 Выбор материалов Грунт для печати может быть получен непосредственно на строительной площадке, где требуются печатные формы. Однако в зависимости от географического положения, глубины выемки грунта и геологической истории существуют значительные различия в зависимости от участка. Некоторые признаки того, что местная земля подходит для аддитивного производства, заключаются в наличии в регионе земляных сооружений или в наличии признаков эрозии и илистых отложений поблизости. Цвет и текстура земли также могут быть хорошим показателем. Существуют простые полевые испытания на месте и тесты, специфичные для печати, подробно описанные в предыдущих исследованиях материалов авторов для определения консольного и соединительного потенциала материала, которые могут показать, подходит ли почва участка для земляного строительства и опалубки. Идеальной земляной смесью является грунт, который примерно на 30% состоит из глины и на 70% из песка и может быть определен как "Супесчаный суглинок". Полевые испытания для оценки пригодны для использования в опалубке для 3D-печати; однако также могут быть проведены дополнительные геотехнические, конструктивные и химические лабораторные испытания, если предполагается оставить земляную опалубку как часть готового сооружения по конструктивным, тепловым или эстетическим соображениям. Дальнейшие лабораторные испытания могут включать определение плотности в сухом состоянии, предела прочности при сжатии, распределения частиц по размерам, предела пластичности, индекса расширения и удельного веса. В тематических исследованиях, описанных в этой статье, использовались отходы грунта из близлежащих строительных выработок в Голете, Калифорния. Почва представляет собой хорошо дифференцированный песчано-глинистый суглинок. Климат в Голете, где были напечатаны эти прототипы, является засушливым и прибрежным, со среднегодовой влажностью 50-60%.
3.2 Подготовка формы
официальные эксперименты, проведенные авторами, показали, что средства для удаления плесени помогают удалить бетон из грунтовых форм и ограничивают водообмен. В результате были изучены различные покрытия для форм, позволяющие свести к минимуму влагообмен между грунтом и заливаемым бетоном, учитывая потенциальную возможность снижения прочности и консистенции бетона. Тестируемые покрытия включали керамический воск (автомобильный воск), смазочные масла (WD40) и резину, нанесенную распылением.
Были напечатаны 3D-печатные цилиндры для грунта с внутренним размером 20 см в диаметре и 100 см в высоту, которые были оставлены для высыхания до состояния “твердой кожи” (влажность около 5%) перед нанесением трех слоев каждого материала, оставляя время для высыхания каждого слоя перед нанесением следующего. Резиновое покрытие было удалено из эксперимента, поскольку оно ограничивало возможность повторного использования земляной смеси, в то время как восковое - нет.
Были приготовлены три образца цилиндров с восковым покрытием и без него, а также три контрольных цилиндра того же размера, отлитых в пластиковые формы. Затем бетон заливается в цилиндры, через неделю его формуют, а через месяц проводят испытания на нагрузку.
3.3 Методы расчетного проектирования Рабочий процесс компьютерного проектирования, использованный в этом исследовании, позволяет застройщику с самого раннего этапа учитывать особенности материалов, конструкции и изготовления. Программное обеспечение для проектирования использует Rhino3D/ Grasshopper , плагин Design Space Explorer , Python 3.8 и плагин Karamba 3D для интеграции свойств материалов и оптимизации конструкции для создания 2D и 3D бетонных элементов с оптимизированной формой, включая рамы, балки и фундаменты.
Используемый метод изготовления определяется размером строительного элемента и тем, как его можно изготовить как можно быстрее; например, вместо того, чтобы печатать опалубку для отлития цельной рамы в вертикальном положении, модель укладывается на бок и используется технология наклона вверх, что сокращает время печати с нескольких дней до нескольких минут. В процессе работы проектировщика модель обеспечивает ключевые показатели, включая использование материалов как для окончательной геометрии, так и для форм, а также расчетное время изготовления и стабильность формы в процессе изготовления и под гидростатическим давлением при отливке, что позволяет проводить исследования дизайна с учетом углеродных факторов в скрытом пространстве оптимизации формы.
В смежных исследованиях авторов изучается интеграция тепловых характеристик в этот процесс проектирования и изготовления. Затем генерируются траектории движения инструмента для окончательной геометрии с заданным разрешением слоя. Траектории движения инструмента, используемые в этом исследовании, являются непрерывными, что минимизирует время печати и требует тщательного учета последовательности печати.
3.3.1 Гидростатическое давление
Гидростатическое давление является критической проблемой в крупномасштабных процессах литья. Давление линейно возрастает с глубиной, что приводит к высоким боковым нагрузкам на опалубку у основания стены или колонны. В предыдущем исследовании были проведены базовые испытания на гидростатическое давление для грунта с печатью . В методологии земляных работ опора создается параметрически в соответствии с моделью гидростатического давления после завершения оптимизации формы геометрии основания. Этот метод прост в вычислениях и может быть применен в широком диапазоне геометрических условий, что облегчает заливку до высыхания формы.
Для гибридных конструкций из опалубочного материала и бетона требуется более тщательный учет гидростатического давления. Испытания на глубине до трех метров проводились на цилиндрах с образцами различной влажности - от влажной до сухой отпечатанной земли - с внутренним диаметром 20 см, толщиной стенки 40 мм и высотой слоя 20 мм. Цилиндры были выбраны таким образом, чтобы обеспечить равномерную нагрузку на 360 градусов. Был использован бетон плотностью 2,4 г/см3, и после того, как бетон достиг глубины 10 см, а затем 20 см, было проведено пятисекундное виброуплотнение с помощью виброштока, чтобы должным образом имитировать наши крупномасштабные отливки. Во всех испытаниях, за исключением испытаний с высоким содержанием воды, не наблюдалось деформации или разрушения, что указывает на надежность материала в качестве опалубки, но требует дальнейших исследований с более высокими гидростатическими нагрузками.
3.3.2 Обработка траектории для 2D и 3D условий В рамках традиционного аддитивного производства и для большинства способов печати, описанных в этом исследовании, достаточно 3-осевой портальной системы. Однако с расширением доступа к роботизированным манипуляторам 6-осевые системы могут достигать все более сложной геометрии, при которой траектория движения инструмента больше не ограничивается плоскими, вертикально ориентированными конфигурациями. Неплоские конфигурации могут лучше соответствовать условиям трехмерной поверхности, обеспечивать более точное воспроизведение поверхности и ограничивать нежелательную отделку поверхности . По мере увеличения размеров желаемой геометрии и снижения мобильности робота (неподвижные роботизированные руки) крайне важно разработать стратегию передвижения робота для обеспечения доступности и исключения особенностей отпечатка. Все траектории движения станка при выходе из цифровой модели поворачиваются в полярных плоскостях, что обеспечивает максимальную досягаемость руки и позволяет выполнять непрерывную печать на типично проблемных участках, связанных с квадрантами. В этом исследовании стратегия была двоякой: геометрическое позиционирование и локальная настройка ориентации в плоскости.
1. Траектория движения инструмента может быть установлена в пределах заданной рабочей зоны ячейки робота, иногда на 360 градусов, что позволяет в полной мере использовать ось 1. Для такой конфигурации лучше подходят специальные геометрические формы, например, наклонные рамы, которые могут охватывать место установки робота местоположение. Однако позиционирования не всегда бывает достаточно, и вместо этого оси робота должны реагировать на местоположение траектории движения инструмента в любой момент времени. В случае использования длинномерной балки (>4 м) (пример 3), когда требуется использовать всю декартову ось x или y робота, могут возникать особенности запястья (между осями 4 и 6). Однако такое событие зависит от высоты выполнения работ и от того, будет ли конфигурация робота поворачивать пятую ось под углом 0 градусов. Таким образом, была использована стратегия, связанная со вторичной траекторией.
2. После определения траектории движения инструмента его рамки положения рассчитываются и переориентируются таким образом, чтобы ось x была направлена в направлении робота полярно. Часто для улучшения качества печати используются дополнительные универсальные повороты плоскости вручную в диапазоне от -20 до 20 градусов. В таком случае оси z плоскости не изменили своих векторов.
3.3.2.1 Оптимизация поверхности печати
В некоторых примерах, приведенных здесь, геометрия, которую нужно было отлить, превышала допустимые значения для доступной области сборки. Поверхность основания была недостаточно плоской, чтобы обеспечить субмиллиметровый допуск на четырехметровой балке. Таким образом, черновой проход используется для создания поверхности, точно параллельной базовой плоскости робота. Для этого может потребоваться всего один проход по рабочей зоне или в более экстремальных случаях (печать на месте или в условиях, когда подготовка площадки нецелесообразна (например, на скалистой поверхности Марса), можно использовать стратегию интерполированного выравнивания путем наращивания плоских слоев материала по отношению к начальной сетке, соответствующей поверхности застройки. Это достигается за счет 3D-сканирования объекта, проецирования базовой траектории инструмента на область сканирования и интерполяции слоев вверх к плоскости от поверхности сканирования. В описанных здесь экспериментах было достаточно одного слоя материала, чтобы рационализировать складское помещение и обеспечить точную платформу для печати.
3.3.2.2 Заполнение/черновая обработка Учитывая, что калибровка печатных систем, использующих местные материалы с минимальной обработкой, может занять много времени, мы решили использовать непрерывную экструзию и стратегические алгоритмы перемещения инструмента, чтобы избежать необходимости в перемещениях. Это также значительно снижает стоимость и сложность как насоса экструдера, так и системы управления насосом, поскольку не требуется встраивать запорные клапаны или регулятор скорости. Для оптимизации базовой поверхности печати в нашей модели используется простая линейная параллельная траектория или, в случае более сложной геометрии, кривая заполнения пространства реакцией-диффузией.
Для черновой и чистовой обработки в 2D- и 3D-формах используется прямоугольный сигнал постоянной частоты с переменной амплитудой, который формирует непрерывную кривую для получения точной поверхности. Для 3D-форм можно выполнить черновой проход в формате 2,5D (фиксированный поворот X и Y, перемещение Z) для высокоскоростной печати, за которым следует полностью 3D-чистовой проход по нормали к поверхности модели (пример 3). 3.4 Усиление и детализация. Проектирование и изготовление опалубки из аддитивного грунта требует тщательной проработки деталей. Земля, как традиционный строительный материал, допускает погрешности. Поскольку этот материал играет все более важную роль в современном строительстве и в качестве бетонной опалубки, важно учитывать допуски, допустимую погрешность и монтаж конструктивных элементов. Детализация отличается в каждом конкретном случае, но важнейшие общие соображения включают прозрачное покрытие арматуры, соответствующее местным строительным нормам, точки подъема модульных монолитных элементов и моментные соединения между фундаментом, стеной и балкой. В каждом случае используются термопластичные зажимы, напечатанные на 3d-принтере с более высоким разрешением. Напечатанные зажимы позволяют вручную сгибать арматуру приблизительно по заданной форме, а затем дополнительно повышать точность изготовления каркаса по мере присоединения каждого зажима, завершая конструкцию каркаса. Эти элементы также могут быть массово настроены и развернуты по мере необходимости для поддержания прозрачного покрытия или регистрации мгновенного подключения .
При подготовке к подъему и перемещению монолитной глинобитной стены (пример 1) был изменен рисунок грунта, чтобы создать в фундаменте свободное пространство, необходимое для непосредственного подъема с помощью вилочного погрузчика. В примере 2 пластик укладывается таким образом, чтобы рисунок мог стягиваться по мере высыхания, а под пластик укладываются подъемные планки. После того, как сборный каркас затвердеет, планки можно использовать для подъема и перемещения элемента на место. Модульные бетонные элементы опираются на прочные моментные соединения. Эти точки соединения определяются цифровой моделью и согласуются с опорными и балочными соединениями. Для соединения фундамента к арматурному каркасу были приварены стальные пластины с отверстиями для болтовых соединений, что позволило получить моментные соединения, соответствующие строительным нормам. В отверстия для болтов были вставлены пластиковые заглушки, напечатанные на 3D-принтере, которые предотвращали заливку бетона в этих зонах, чтобы можно было установить и затянуть болты, когда элемент был поднят на место.
3.5 Оценка жизненного цикла
Оценка жизненного цикла систем earth printing, использованных в этом исследовании, подробно описана в Curth 2024. Эта модель "от колыбели до могилы" предполагает, что и роботизированная рука, и насос постоянно работают на полную мощность, и не учитывает круглую форму материала. Консервативная оценка в 0,006 кг CO2/кг, полученная в предыдущем исследовании, указывает на то, что, в отличие от других процессов аддитивного производства, воздействие углерода определяется временем печати, а не количеством материала. Наиболее значительное воздействие углекислого газа на функциональную единицу printed earth обусловлено потребляемой насосной системой мощностью. Однако на практике ограничение использования материала напрямую связано с минимизацией времени печати; чем короче путь печати, тем меньше требуется времени выполнения и материала. По сравнению с другими методами опалубки AM, использующими пенопласт, строительный раствор, термопласты или даже обожженную глину, влияние углерода на конструкцию настолько низкое, что возможны совершенно другие конструктивные решения. Использование материалов не является серьезной проблемой, связанной с затратами или выбросами углерода, при условии, что общее время изготовления не препятствует производству. Это открывает такие возможности, как использование грунта в качестве опорного материала и наполнителя для 3D-форм или в качестве опоры для сопротивления гидростатическому давлению без значительного увеличения выбросов углерода.
:
4 Результаты
4.1 Гидростатическое давление
В цилиндры для испытания на гидростатическое давление загружается влажный бетон под давлением 0,11 МПа. В трех образцах для каждого содержания воды (5%, 10%, 15%, 20%), разрушение наблюдается только в цилиндрах с содержанием воды 15-20%. При содержании воды ниже 10% (или при твердости кожи на ощупь) цилиндры не деформировались; при содержании воды выше 10% наблюдается локальная деформация при классическом разрушении обруча под давлением, что приводит к образованию трещины в форме примерно в 5 см от основания цилиндра. Силы трения предотвращают разрушение в нижней части формы, где давление наиболее высокое. Учитывая первоначальные результаты, описанные здесь и в [28], было проведено более масштабное испытание на одном баллоне с содержанием воды 5% (типичный уровень влажности, при котором отливаются образцы).
Высота баллона увеличивается с помощью трехметровой пластиковой трубки. При полной нагрузке до гидростатического давления 0,17 МПа деформация не наблюдается при заполнении трубы влажным бетоном. Дальнейшие гидростатические испытания могут включать в себя другие испытания геометрия, бетонные смеси с более высокой плотностью и учет влияния содержания волокон на способность грунтовой формы выдерживать боковые нагрузки.
Примечательно, что после этих испытаний рабочий процесс проектирования был изменен таким образом, чтобы предполагать, что грунт при влажности отливки 5% может выдерживать гидростатическое давление 0,1 МПа. Это предположение дает модели минимальный коэффициент запаса прочности, равный 1,5, основанный на результатах этих испытаний, и позволяет предсказать, где может произойти прогиб, особенно на длинных прямых участках формы.
4.2 Покрытие пресс-форм Испытания литых бетонных цилиндров на нагрузку не выявили существенной разницы между формами, покрытыми воском, и формами без покрытия. Однако во время литья из основания формы без покрытия вытекает вода, а земля у основания формы заметно более влажная, чем в начале литья. После демонтажа в образцах без покрытия наблюдается низкое качество бетона, особенно вблизи основания цилиндра. Ни одно из этих явлений не наблюдается в образцах с восковым покрытием, что приводит к использованию метода нанесения воскового покрытия при проведении последующих исследований. Затем изготавливается комплект из шести бетонных цилиндров, три из которых изготавливаются из вощеной глины, а три - из невощеных форм.
В ходе испытаний на сжатие при неограниченном сжатии статистически значимых различий в рабочих характеристиках между цилиндрами обнаружено не было. Возможно, что водообмен не оказывает негативного влияния на прочность при сжатии, поскольку равновесие поверхность образца, что делает низкое качество бетона в первую очередь косметической проблемой. В будущем можно будет продолжить изучение других покрытий, оценить водообмен между грунтовой формой и свежим бетоном и провести более масштабные испытания, чтобы лучше понять его влияние на прочность при различных геометрических параметрах.
4.3 Тематические исследования Чтобы проиллюстрировать универсальность метода земляных работ, мы разработали и изготовили три конкретных примера.
1. Монолитная система стен и каркаса
2. наклонная портальная рама, оптимизированная по форме в 2D
3. балка с фланцем, оптимизированная по форме в 3D.
4.3.1 Монолитная стена Монолитная гибридная земляная и бетонная стена разработана для того, чтобы проиллюстрировать потенциал заливки бетонных каркасов на месте в несущих земляных стенах. Стена состоит из железобетонного основания, отлитого в земляную опалубку с 3D-печатью, земляной стены с 3D-печатью, четырех железобетонных колонн, отлитых в стену, и железобетонного подоконника. Земляной рисунок может быть удален с подоконника, но после заливки остается на стене и фундаменте. Арматурные каркасы, соответствующие требованиям стандартов, сгибаются и скрепляются вручную с помощью пластиковых зажимов, напечатанных на 3D-принтере, для обеспечения правильного расстояния и расположения. Все резьбовые стержни с резьбовыми соединениями были встроены в основание каркасов колонн, что позволяло последовательно размещать вертикальную арматуру колонн полуметровыми секциями по мере увеличения высоты печати. В то время как горизонтальные секции каркаса соответствовали традиционной конструкции, добавление стержня с цельной резьбой в колоннах увеличило стоимость прототипа (цельная резьба 1/2 дюйма примерно в два раза дороже аналогичной арматуры № 4 в Калифорнии). Использование специальных соединений для арматуры может частично снизить эти затраты. Армирование остается важной областью для будущих исследований. достигается по мере заполнения пористой структуры земли, что ограничивает поглощение воды незначительным обменом с изготовление гибридной земляной стены требует больше времени, чем при использовании других вариантов геометрии, из-за необходимости высыхания между отпечатками вертикальных секций стены. После нанесения 30-сантиметрового слоя материал должен потерять не менее 5% своей влажности, чтобы можно было добавить еще 30 см влажной земли и при этом не провалиться под собственным весом. Время высыхания полностью зависит от атмосферных условий в печатном помещении; в жаркие дни с низкой влажностью (18-30°C) была возможна печать до метра за 3-4 сеанса с интервалом в три часа. В дни с более высокой влажностью и более низкой температурой (8-18°C) печать может быть ограничена шириной 50-60 см с интервалом в 6 часов между 2-3 сеансами печати. В будущем можно будет дополнительно оценить это ограничение и изучить методы равномерного ускорения высыхания. В ходе предыдущих экспериментов, проведенных при печати на открытом воздухе, было обнаружено, что ветер значительно ускоряет высыхание, но также является причиной неравномерного высыхания и, как следствие, растрескивания.
4.3.2 Рама наклонной формы Портальная рама спроектирована с использованием двухмерной многоцелевой оптимизации формы, чтобы свести к минимуму количество бетона и при этом соответствовать требованиям дизайна и кода конструкции. Используемый здесь подход к оптимизации двумерной формы, несмотря на доступность и простоту в использовании, представляет собой численный метод, который не позволяет точно моделировать механику бетона, а вместо этого рассматривает бетон как эластичный материал.
Это отличается от примера, в котором используется трехмерная модель оптимизации формы, учитывающая полное механическое поведение железобетона. Каркас изготавливается на боку - это технология литья с наклоном вверх, распространенная при изготовлении монолитных бетонных стен на месте для крупногабаритных магазинов и складских помещений с достаточным количеством промежуточных площадей. В данном случае цель состоит в том, чтобы создать экономически эффективный конструктивный элемент, максимально увеличивающий рабочий диапазон одной руки робота и максимально сокращающий время изготовления. Опалубка состоит из заполняющего пространство рисунка на плоскости основания, печатного выдавливания 2D-профиля рамы и печатных опор для крепления управляйте гидростатическим давлением бетона в процессе заливки. Каркас включает в себя стальные пластины для болтовых соединений в основании и точки соединения балок в верхней части. После затвердевания опалубка, напечатанная на 3D-принтере, снимается, и каркас наклоняется в вертикальное положение. Из трех протестированных методов подъемно-откидную раму можно считать наиболее успешной в том смысле, что соотношение материалов, используемых как в форме, так и в литом элементе, минимально, арматурный каркас является обычным и простым в изготовлении, а конечный продукт сразу готов к использованию в качестве конструктивного компонента литейного элемента. здание, соответствующее требованиям кодекса. Это самый быстрый способ создания тематических исследований и в то же время самый большой по объему цельный образец.
4.3.2.1 Методология проектирования
Откидная рама предназначена для внутренних стен с площадью примыкания 3 м х 3 м или 9 м2. Эти нагрузки передаются на раму в виде распределенной линейной нагрузки. В расчетной модели рама рассматривалась как двумерная сетка с 274 точками в верхней части рамы, на которую приходится суммарная нагрузка под напряжением (1,9 кН/м2) и без нагрузки (12,94 кН/м2). Рама сконструирована таким образом, чтобы иметь два неподвижных соединения с землей. Для одноэтажных, двухэтажных и трехэтажных зданий в модель встроены нагрузки под напряжением, несущая способность перекрытия и вес каркаса. Литой каркас имеет объем 0,237 м3 и вес 569,5 кг, исходя из расчетной плотности бетона 2400 кг/м3. Общая длина арматуры каркаса составляет 28,65 м из арматуры № 4 и весит 28,57 кг, исходя из расчетного веса стали в 1 кг на погонный метр. Исходя из этих значений, общий вес подъемной рамы составляет приблизительно 675 кг или 6,62 кН.
Дополнительные уровни устанавливаются в двух точках вдоль вертикальных стоек рамы. Боковая нагрузка рассчитывается с использованием 20% от общего веса рамы (6,62 кН), что составляет 1,3 кН.
4.3.2.2 Многоцелевая оптимизация Две цели нашей оптимизации заключаются в уменьшении максимального смещения и площади двумерной сетки рамы. Область сетки параметризована восемью фиксированными и 12 регулируемыми контрольными точками. x1, x4, x9 и x12 параметризованы для перемещения по горизонтали, в то время как все остальные параметризованные контрольные точки перемещаются вертикально. Смещение рассчитывается на основе 3D-модели Karamba, которая моделирует каркас как двумерную оболочку постоянной толщины. Цель оптимизации - уменьшить площадь сетки в 2D, сохраняя при этом конструкцию, ограниченную максимально допустимым смещением (4 мм).
При соблюдении максимального смещения применяется штраф, и значение смещения умножается в четыре раза, увеличивая штраф, чтобы быстро ограничить область допустимых вариантов проектирования. Затем это значение добавляется к выходной области сетки, что значительно увеличивает объективное значение и четко указывает на плохое решение. Оптимизация выполняется с помощью DSE toolbox . Сначала была выполнена глобальная оптимизация (GN-ISRES), за которой последовала локальная оптимизация (LN-COBYLA). Затем результат оптимизации экспортируется и корректируется с учетом производственных ограничений ).
4.3.3 Предварительно изготовленная 3D-образная балка
Четырехметровая 3D-образная балка спроектирована с использованием Beam Shape Explorer (BSE) [24], инструмента, который оптимизирует ряд сечений вдоль балки в рамках набора производственных ограничений, точно учитывая механику бетона, а затем распределяет полученную форму по высоте. секции соединяются в цельную балку. Полученная в результате твердотельная геометрия затем преобразуется в печатный дизайн пресс-формы, который включает в себя 3-осевой черновой проход и 6-осевой чистовой проход. При черновой обработке используются максимально возможные расстояния между двумя слоями печатной массы при высоте слоя 20 см, что создает пространство для воздушного потока под формой, обеспечивая равномерную сушку и сокращение объема печатного материала, тем самым сокращая время печати. В процессе финишной обработки используются заполняющие пространство сигналы с фиксированной частотой и переменной амплитудой для эффективного покрытия сложной трехмерной поверхности оптимизированной формы для изготовления балок. Печать выполняется в течение двух дней, а черновой слой остается на ночь, чтобы он медленно высыхал и приобрел прочность, достаточную для финишной обработки. Арматурный каркас состоит из цельного куска арматуры № 4, согнутого до оптимальной формы в соответствии с требованиями BSE, и сетки из стальной проволоки на фланце для обеспечения поперечного и температурного армирования. Можно аккуратно согнуть одинарный 2D-образный стержень, начертив мелом кривую шаблона на полу.
Это можно сделать вручную с помощью измерений или просто присоединив чертежный инструмент к имеющейся системе ЧПУ/роботизированной системе, используемой для печати. Арматурный стержень устанавливается с помощью края печатной формы для поддержки точек временной подвески каркаса. Кроме того, под каркас укладываются бетонные блоки Dobie размером 3х3х3 см для обеспечения надлежащего прозрачного покрытия во время литья. Эти блоки отлиты в многоразовые формы PLA, напечатанные на 3D-принтере. Несмотря на то, что печать этого примера гораздо сложнее, чем 2D-образной наклонной рамки, армирование значительно проще в изготовлении и оставляет меньше места для человеческих ошибок и проблем с допусками при смешивании. Важнейшей задачей при изготовлении 3D-балки с оптимизированной формой является получение точной поверхности формы с двойной кривизной за счет формирования траектории движения инструмента с заполнением пространства и 6-осевой экструзии, ориентированной перпендикулярно поверхности.
Это тематическое исследование выявляет две критические проблемы, связанные с методом земляных работ. Во-первых, для преобразования трехмерной геометрии в траекторию инструмента для пресс-формы, содержащую три и 6-осевые траектории, требуется тщательная калибровка допусков и моделирование, чтобы гарантировать, что 6-осевые траектории не приведут к пересечению или царапанию соплом принтера элементов чернового прохода. После интеграции в параметрическую расчетную модель дальнейшая настройка для аналогичной геометрии балки становится простой. Однако эти проблемы с контурами могут быть различными для любого количества трехмерных геометрий, что приводит к необходимости дополнительной работы по обобщению алгоритма обработки поверхности. Вторая проблема - чистовая обработка поверхности. В примере с наклонной рамой мы используем отпечаток контура печати на бетоне для придания ему эстетичности и выразительности; здесь мы исследуем создание гладкой поверхности отливки. В то время как участки полученного бруса имеют лишь едва заметный и субъективно красивый отпечаток финишной обработки, на других участках при незначительной недостаточной экструзии на поверхности формы образуются небольшие отверстия, что приводит к образованию линий швов в бетонной отливке. Эту проблему можно решить, выровняв поверхность пресс-формы после печати с помощью робота или вручную. Однако это связано с проблемами экструзии с помощью сопла диаметром 25 мм. Каждый угол заполняющей пространство прямоугольной формы, образующей финишный проход, содержит скругление радиусом 12,5 мм, соответствующее геометрии сопла, что делает неизбежными небольшие зазоры на поверхности. Программируемая экструзия может решить эту проблему, что в настоящее время широко распространено при печати на пластике в настольном масштабе.
4.4 Проверка размеров
Каждая форма для исследования и геометрия получаемого бетона сканируются и измеряются везде, где это возможно. Утерянные слепки для опалубки не извлекались для измерения. Были использованы различные стратегии, каждая из которых предполагала свою точность и компромиссы:
1. Лидарное сканирование с помощью iPhone 14 Pro и приложения PolyCam (заявленная относительная точность составляет 2%).
2. Сканирование структурированным светом с помощью Einscan Pro HD (точность 0,1 мм).
3. Измерение точки соприкосновения с формой с помощью прибора ABB 4600 (точность 0,5 мм).
4. Рулетка (точность 2 мм).
5. По возможности взвешивайте литые детали.
Крупномасштабная метрология - это хорошо известная и тщательно изученная проблема. 3D-сканирование в масштабе четырехметрового объекта сопряжено с существенными проблемами точности, поскольку ни одна из полученных геометрических фигур не может быть отсканирована из одной точки. Такие системы, как тахеометр, необходимые для проведения точных и воспроизводимых измерений субмиллиметровых размеров в нашей полномасштабной геометрии, обойдутся дороже, чем вся существующая печатная система, вместе взятая. Цель обеспечения точности измерений в 2 мм выбрана для соответствия традиционным конструкциям, построенным на палочках, в Калифорнии.
В конечном счете, было установлено, что прямое измерение критических размеров, таких как относительное положение моментного соединения, вручную и с помощью указателя на манипуляторе робота, является наиболее подходящим для создания точных строительных элементов. Поверхность отливки отражает разрешение печатной формы, в результате чего получается рельефная текстура. Общее количество избытка материала из-за этих выступов или других неточностей в форме трудно определить количественно без взвешивания элемента.
Преимуществом LSAM является возможность точной настройки разрешения для заданной геометрии с помощью манипуляций с высотой слоя и ориентацией печати. В случае с балкой трехмерной формы поверхности фланцев в конечном счете получаются более точными, чем боковые стенки балки, поскольку они могут быть напечатаны перпендикулярно исходной геометрии. Для этого потребовалось бы сглаживание вертикальных стенок балки крепление сопла из-за ограниченного радиуса действия и самопересечения.
В этих исследованиях неточности в основном возникают из-за следующих факторов:
1. Неравномерное выдавливание
. Разрешение печати (скругления, вызванные размером сопла, формой края печати).
3. Неравномерная сушка
Неравномерная экструзия в первую очередь является результатом несоответствия состава смеси; в будущем может потребоваться настройка ширины экструзии в режиме реального времени или более совершенная система подготовки материала для обеспечения однородности. Разрешение печати, по сути, зависит от выбора высоты слоя и сложности печатающего сопла. В самом раннем исследовании Хошневиса по контурной обработке он иллюстрирует потенциал получения полностью гладких поверхностей с одиночными изгибами с помощью активного затирания. Более сложной проблемой является дифференциальная сушка. Учитывая добавление соломы в нашу смесь и вероятное выравнивание пластинок глины в процессе экструзии, материал в основном анизотропен. Силы трения между отпечатком и печатной поверхностью также влияют на изменение отпечатка во время высыхания. В этих тестах большинство из этих проблем устраняется простым формованием, когда отпечаток сохраняет 5-10% своей влажности, что ограничивает измеренную усадку менее чем на 1%. Коэффициент усадки был встроен в параметрический конвейер пресс-формы. Регулирование степени усадки печатного материала путем добавления более крупного заполнителя и дефлокуляции является вероятным способом решения этой проблемы; такие реологические изменения являются предметом обширных исследований в бетонной промышленности. В данном исследовании был достигнут баланс между минимальной модификацией материалов местного производства и точностью, необходимой для создания функциональных строительных элементов, соответствующих нормам.
5 Обсуждение
5.1 Краткое изложение нового вклада В этом исследовании представлены новые методы аддитивного производства для изготовления железобетонных конструкций с использованием грунта местного производства, напечатанного на 3D-принтере. Возможность печатать геометрически сложные (или простые) формы в сверхметровом масштабе из материалов, пригодных непосредственно для вторичной переработки, по-настоящему безотходных, открывает широкие возможности для архитекторов и инженеров, работающих над снижением воздействия нового строительства на климат. Кроме того, земляные работы открывают новые эстетические возможности в отношении общей формы и поверхности. Процесс может быть откалиброван в соответствии с разрешением, требуемым для различных строительных элементов, путем настройки высоты слоя и ориентации печати. Методы расчетного проектирования, основанные на материальной базе, разработанные для проведения тематических исследований в разделе 4, обеспечивают воспроизводимую основу для широкого спектра потенциальных применений в строительстве. Могут быть изготовлены гибридные земляные конструкции с интегрированными пустотами для монолитных железобетонных элементов и бетонных элементов сложной геометрической формы. Инструменты для рационализации использования больших поверхностей печати делают эти методы доступными для изготовления на месте и в заводских условиях. Автоматизированный алгоритм закрепления облегчает получение типично нестабильной геометрии отпечатка (длинных прямых участков) и обеспечивает стабильное литье без стяжек формы. Методы калибровки допусков в ключевых участках формы с помощью печатных вставок позволяют точно фиксировать элементы с поверхностью с низким разрешением. Аналогичным образом, массовые зажимы для арматуры, напечатанные на 3d-принтере по индивидуальному заказу, позволяют точно применять традиционные технологии изготовления арматуры к профилированной геометрии бетона, сводя к минимуму использование стали и упрощая изготовление арматурных каркасов, соответствующих требованиям стандартов. Сочетание методов нанесения печати и армирования позволяет гибко и быстро применять метод земляных работ к геометрически сложным строительным элементам.
5.2 Проблемы и будущая работа Основные проблемы, связанные с внедрением метода земляных работ в промышленное производство, аналогичны ограничениям, характерным для других видов грунтовой печати: влияние времени высыхания на скорость печати, усадка и деформация под действием собственного веса. Хотя может показаться, что эти проблемы относятся непосредственно к области материаловедения, в этой статье показано, что дизайн предлагает несколько путей продвижения вперед. Печать на низкой высоте для наклонных элементов, последовательная обработка нескольких отпечатков одновременно, чтобы дать время высохнуть вертикальным участкам формы и стенкам, а также использование стабильных геометрических форм, таких как волнообразные формы, которые лучше выдерживают усадку без образования трещин, чем длинные прямые участки. Однако предстоит большая работа по разработке систем для земляных смесей с более крупным заполнителем и меньшим содержанием воды, чтобы уменьшить усадку и деформацию под действием собственного веса. Возможно, совместимые системы уже существуют в более крупном промышленном бетононасосном оборудовании. Ускорение сушки также является открытой областью для изучения; как показано в этой работе, направленный поток воздуха от простых коробчатых вентиляторов может повысить скорость вертикальной укладки, при этом достигается равномерная сушка со всех сторон, что позволяет избежать неравномерной усадки. Разработка интегрированных систем сушки, как для печатной геометрии, так и для печатных систем, может стать перспективной областью исследований. Таким образом, аддитивное производство опалубки с использованием грунта и аддитивное производство с использованием грунта в целом - это развивающаяся область, обладающая значительным потенциалом для проведения эффективных будущих исследований по снижению выбросов углекислого газа в новом строительстве.
5.2.1 Стратегии армирования В каждом конкретном случае использовался свой метод упрочнения, все они соответствовали нормам, но имели свои недостатки. В примере 1 для сборки использовалась нетрадиционная и дорогостоящая сталь (цельнорезьбовая). В примере 2 требовалось построить сложную изогнутую арматурную раму на основе цифровой модели, которая должна была быть точной, чтобы обеспечить прозрачность покрытия при минимальном расходе бетона. Пример 3, хотя и был наиболее сложным с геометрической точки зрения, требовал простого армирования, которое легко изготавливалось вручную. К счастью, земляная опалубка с 3D-печатью предлагает альтернативные рабочие процессы. Например, подход к изготовлению элементов с очень сложными каркасами из арматуры может заключаться в печати основания формы, вставке каркаса из арматуры, 3D-сканировании и измерении, вводе сетки из арматуры в цифровую модель, изменении траектории движения инструмента для 3D-печати, необходимой для получения прозрачного покрытия, и 3D-печати буровой опалубки с арматурой клетка на месте. Такой подход, ориентированный на валидацию, был бы особенно актуален для сценариев опрокидывания, когда вся клетка, как правило, предварительно собирается и размещается как единое целое, что может привести к возникновению проблем с допусками во всей сложной непрерывной клетке. Такой подход позволил бы обеспечить равномерное покрытие арматуры бетоном, что еще больше сократило бы объем используемого бетона и допустимую погрешность. Каркасы для арматуры могут быть изготовлены роботизированным способом. Однако роботизированное изготовление арматуры требует больших затрат времени и высокоспециализированного дорогостоящего оборудования [43]. Каркасы для арматуры также могут быть предварительно заказаны в конструкциях, изготовленных местными заводами по изготовлению гибочной арматуры. Однако это может создать ограничения для оптимизации проектирования и увеличить стоимость.
Альтернативным методом армирования может быть предварительное натяжение с помощью сетей из кабелей или волокон. Система армирования предварительно сплетается, устанавливается на место и натягивается после того, как опалубка будет напечатана. Предварительное натяжение с помощью гибких крепежных приспособлений позволило бы регулировать арматуру таким образом, чтобы минимизировать покрытие бетона. Это также уменьшило бы поперечные сечения и необходимый расход материала.
5.2.2 Отвод Роботизированная установка, использованная в этих примерах, накладывает некоторые ограничения на проектирование траектории движения инструмента из-за отсутствия потока данных между роботом и насосом. Печать должна быть непрерывной с постоянным размером валика от начала до конца, поскольку механическая система остановки выдавливания еще не внедрена. Такие системы существуют и имеются в продаже. Встроенные запорные клапаны, подключаемые к насосным установкам и роботизированным системам управления, в настоящее время являются промышленным стандартом. Отвод может быть полезен, когда геометрия является вложенной (например, колонна в стене) или при проектировании отверстий в стене. Это повысило бы гибкость при размещении элементов (колонн, окон, дверей), не привязанную к эффективному, единственному, непрерывному пути. И наоборот, разработка простой роботизированной системы, которая допускает только непрерывное выдавливание, приводит к разработке максимально эффективной траектории движения инструмента, при этом время печати не тратится впустую на перемещение между геометрическими участками.
5.2.3 Эстетический потенциал Бетон стал монотонным благодаря глобальной стандартизации его опалубки. 3d-печатная форма earth - это привлекательная альтернатива сложным деревянным формам для создания текстурных элементов дизайна на поверхности монолитного бетона. Земляная опалубка, напечатанная на 3D-принтере, позволит снова легко добиться эстетического разнообразия за счет обработки поверхности и создания орнамента. Текстуры, подобные текстуре Рудольф-холла Йельского университета, могут быть получены без необходимости кропотливой работы по размещению тысяч деревянных элементов внутри опалубки [44]. Опираясь на существующую историю бруталистского выражения в бетоне, можно создавать совершенно новые формы орнамента, которые открыты для изучения. Нестандартные или нетрадиционные, непрямолинейные формы часто сопряжены с высокими экологическими и экономическими затратами. Благодаря круглой форме опалубки из набивного грунта дизайнеры могут более свободно и продуманно проектировать эффективную и выразительную архитектуру.
6 Заключение
Важность метода земляных работ заключается в его прямой и гибкой применимости к существующим стандартам проектирования конструкций. Разрабатывая метод, основанный на том, как сегодня возводятся железобетонные здания, мы создаем основу для внедрения эффективных углеродных и экономичных конструкций, которые ранее были недоступны из-за геометрической сложности. Использование местного грунта, широко доступных материалов и воспроизводимых вычислительных методов, которые могут быть адаптированы к механическим свойствам данного грунта, делают возможным 3D-печать земляной опалубки в любом месте, где может быть установлена роботизированная печатающая система. По мере того, как крупномасштабное аддитивное производство продолжает развиваться как система промышленного строительства, растет и полезность методологии земляных работ.
