慕尼黑大學開發出3D列印複雜建築結構的「選擇性結合」方法

隨著3D列印技術不斷革新世界各地的建築工程，改變人們對建築的思考方式，許多公司和研究機構正在為這一領域進行持續研究，希望能夠推動技術發展，以在建築現場實施。最近的發展動態來自慕尼黑科技大學，研究人員一直在嘗試大量不同的具體AM過程，其中最有前途的是相對較新的「選擇性結合」方法。

這些研究活動是由TUM的木材結構與建築施工主席和建築材料中心合作進行的。德國研究基金會（DFG）與德國聯邦環境、自然保護、建築和核安全部（BMUB）一起進行「Zukunft Bau」研究倡議，為這些正在進行的研究項目提供資金支持，其中一些項目最近已經啟動。

3D列印為建築提供的主要優勢是提高了設計的自由度，以及原型可以放在一起的方便性和速度。與使用模板和模具相反，3D列印過程可以通過選擇性地將材料選擇性地沉積到需要去的地方來創建混凝土結構，然後固化到位。這允許製造更複雜的形狀，這對於常規技術是不可能的，並且這些更複雜的結構允許改進的性質。例如，由於混凝土管由精心製作的內部支撐結構支撐，所以可製成壁厚更薄的混凝土管，既節省材料又可減輕重量而不犧牲強度。

最常用的混凝土AM技術是標準的擠壓方法，從噴嘴中擠出預製混凝土，類似於FDM 3D列印如何從熱塑性塑料中形成結構。選擇性結合是一種較新的方法，其擠出水和水泥的混合物而不是混凝土。建築物體為多層沙子，經擠壓後逐漸形成混凝土形狀。多餘的沙子然後被移除。

TUM團隊必須建立一個選擇性的結合單元，以測試後者的混凝土3D列印工藝，這需要花費大約三年時間才能完善。他們超大尺寸的3D印表機安裝在研究場所的地下室。在啟動3D印表機之前，沙子首先使用自動散射系統進行分配。三維繫統的軌道將列印頭移動，使其能夠按照項目的要求定位在工作空間的任何特定點。然後，噴嘴可以準確地將流體施加到需要去的地方。

成功的列印依賴於獲得合適的層厚度，正確的砂粒大小，適當的列印頭移動速度以及正確類型的噴嘴等等。來自TUM建築材料中心的工程師幫助優化了列印參數。該團隊正在開發一種3D印表機，其列印頭將配備數千個噴嘴。這將使得製造大約十立方米的部件成為可能，所述部件是建築物中一層的高度。這將是第一次使用這種選擇性結合技術製造這種尺寸的部件，測試應該在明年開始。

從使用的材料和採用的系統來看，該團隊還採用了比較常見的擠出3D列印方法，並取得了一些進展。其中一個項目將木屑添加到標準混凝土拌合物中，由於材料中含有多餘的空氣，可以提供一體化隔熱，從而避免建築物在冬季過冷或夏季過熱。這種輕質木質混凝土與傳統的氣體混凝土一樣具有彈性和絕緣性，但其可列印性意味著它可以製成更複雜的結構。新設計的用電腦控制的機器人手臂被用來移動列印頭，並更有效地擠出這種新材料，精確地將混凝土彼此疊放，以形成所需的結構。

根據TUM木結構和建築結構主席Klaudius Henke博士的說法，「增材製造對建築非常有吸引力：即使在小批量的情況下，它也能以高水平的成本效益實現各種各樣的形狀...它將改變建築，這種技術不僅可以實現多樣化，而且每個部件都可以單獨設計，而不會產生額外的成本。」

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