Новое исследование показывает, что узоры, вдохновленные панцирями омаров, могут сделать бетон с трехмерной печатью более прочным, чтобы поддерживать более сложные и творческие архитектурные конструкции.
Цифровые производственные технологии, такие как трехмерная печать на бетоне (3DCP), обладают огромным потенциалом для экономии времени, усилий и материалов при строительстве.
Они также обещают раздвинуть границы архитектурных инноваций, но остаются технические проблемы, связанные с тем, чтобы сделать бетон с трехмерной печатью достаточно прочным для использования в конструкциях более свободной формы.
В новом экспериментальном исследовании исследователи из Университета RMIT изучили природную прочность панцирей омаров для создания специальных трехмерных рисунков для печати.
Их биологические спиральные узоры улучшили общую долговечность бетона с трехмерной печатью, а также позволили точно направить прочность на структурную поддержку там, где это необходимо.
Когда команда объединила схемы скручивания со специальной бетонной смесью, усиленной стальными волокнами, полученный материал оказался прочнее, чем бетон, изготовленный традиционным способом.
Ведущий исследователь доктор Джонатан Тран сказал, что трехмерная печать и аддитивное производство открывают возможности в строительстве для повышения эффективности и творчества.
«Технология трехмерной печати на бетоне имеет реальный потенциал для революции в строительной отрасли , и наша цель — приблизить эту трансформацию», — сказал Тран, старший преподаватель кафедры структурированных материалов и дизайна в RMIT.
«Наше исследование исследует, как различные печатные рисунки влияют на структурную целостность трехмерного печатного бетона, и впервые раскрывает преимущества био-вдохновленного подхода в 3DCP.
«Мы знаем, что природные материалы, такие как экзоскелеты омаров, могли развиться в высокоэффективные конструкции за миллионы лет, поэтому, подражая их ключевым преимуществам, мы можем проследить за тем, что природа уже внедрила инновации».
Новое исследование показывает, что образцы, вдохновленные панцирями омаров, могут сделать бетон, напечатанный на 3D-принтере, более прочным, чтобы поддерживать более сложные и творческие архитектурные конструкции. Предоставлено: Университет RMIT.
3-D печать для строительства
Автоматизация бетонного строительства призвана изменить то, как мы строим, и строительство станет следующим этапом революции автоматизации и управления данными, известной как индустрия 4.0.
Трехмерный принтер для бетона строит дома или изготавливает конструктивные элементы путем нанесения материала слой за слоем, в отличие от традиционного метода заливки бетона в форму.
С помощью новейших технологий дом можно напечатать 3-D всего за 24 часа примерно за половину стоимости, в то время как строительство первого в мире сообщества 3-D печати началось в 2019 году в Мексике.
Развивающаяся отрасль уже поддерживает архитектурные и инженерные инновации, такие как офисное здание с трехмерной печатью в Дубае, имитирующий природу бетонный мост в Мадриде и парусное здание «Европа» в Нидерландах.
Исследовательская группа инженерной школы RMIT занимается трехмерной печатью бетона, исследуя способы улучшения готового продукта с помощью различных комбинаций дизайна печатного рисунка, выбора материалов, моделирования, оптимизации дизайна и вариантов армирования.
Шаблоны для печати
Самый обычный узор, используемый в трехмерной печати, — однонаправленный, когда слои накладываются друг на друга параллельными линиями.
В новом исследовании, опубликованном в специальном выпуске журнала « 3-D Printing and Additive Manufacturing», изучалось влияние различных печатных форм на прочность бетона, усиленного стальным волокном.
Предыдущее исследование, проведенное командой RMIT, показало, что включение 1-2% стальной фибры в бетонную смесь снижает дефекты и пористость, повышая прочность. Волокна также способствуют раннему затвердеванию бетона без деформации, что позволяет возводить более высокие конструкции.
Команда проверила влияние печати на бетоне в виде геликоидальных узоров (вдохновленных внутренней структурой панцирей омаров), перекрестных и квазиизотропных узоров (аналогичных тем, которые используются для многослойных композитных структур и послойно нанесенных композитов) и стандартные однонаправленные шаблоны.
Предоставлено: Флориан Элиас Ризер, под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International.
Поддержка сложных конструкций
Результаты показали повышение прочности каждого рисунка по сравнению с однонаправленной печатью, но Тран сказал, что спиральные рисунки наиболее перспективны для поддержки сложных бетонных конструкций с трехмерной печатью.
«Поскольку панцири омаров по своей природе прочные и изогнутые, мы знаем, что это может помочь нам получить более прочные бетонные формы, такие как арки, плавные или искривленные конструкции», — сказал он.
«Эта работа находится на ранних стадиях, поэтому нам необходимы дальнейшие исследования, чтобы проверить, как бетон работает по более широкому диапазону параметров, но наши первоначальные экспериментальные результаты показывают, что мы на правильном пути».
Дальнейшие исследования будут поддерживаться с помощью нового крупномасштабного мобильного 3D-принтера для бетона, недавно приобретенного RMIT, что сделает его первым исследовательским институтом в южном полушарии, который ввел в эксплуатацию машину такого типа.
Робот-принтер 5 × 5 м будет использоваться командой для исследования трехмерной печати домов, зданий и крупных структурных компонентов.
Команда также будет использовать машину для изучения возможностей трехмерной печати бетоном, изготовленным из переработанных отходов, таких как мягкий пластиковый заполнитель.
Работа связана с новым проектом с отраслевыми партнерами Replas и SR Engineering, в котором основное внимание уделяется звукопоглощающим стенам из переработанного мягкого пластика и бетона, прошедшего вторичную переработку, который недавно был поддержан грантом правительства Австралии по инновациям.