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科学家研发大规模3D打印技术为打印大型结构打开新大门

添加时间:2024-01-28 05:49:14

  大型结构比如建筑、桥梁、隧道的建造方式非常传统,材料浪费十分严重。但由于其体积庞大,故在全球材料和能源消耗中的占比非常高。

  同时相比互联网等行业,施工现场的工作环境不太友好,不仅劳动强度特别大而且非常危险。

  那么有没有一种技术可以改变它,从而让人们在舒适的工作环境里对这些“庞然大物”进行安全、轻松的施工?同时还能做到不浪费材料资源?

  随着机器人技术的发展,3D 打印逐渐成为一种可能。对于 3D 打印技术很多人并不陌生,它可以打印蛋糕、手机壳、跑鞋、自行车、珠宝、甚至是牙齿......

  同样使用这种 3D 打印技术,能否实现建筑物、飞机和火箭等大型结构的自动化制造?

  答案是否定的。常规的 3D 打印技术,受限于微米级到米级的制造,同时也无法实现多功能的打印。

  想要通过常规 3D 打印来加工大型结构,势必会带来许多新挑战,特别是在精度和效率之间的必要折中上。

  为了让大型结构能在合适的时间内完成打印,必须增加打印层厚度,这不可避免会对打印结构的形状、精度、质量和性能产生不利影响。

  为此,上海建工团队提出一种名为大规模 3D 打印(LS3DP,large-scale 3D printing)的技术,旨在突破打印尺寸的限制。

  对于任意形状和不同材料的巨型复杂结构来说,在这种技术的帮助之下,它们的本体和内部功能结构将能实现自动化制造。

  此外通过数字化的设计,可以最大限度地节省材料。而通过灵活聪慧的建造方式,则可以减少资源消耗,从而为打印结构提供此前无法实现的功能和性能,并且兼具简单、安全、高效、智能、绿色环保等优势。

  具体来说,研究人员先是建立了与目标实物 1:1 的模型,再将该模型导入 3D 打印控制软件中。这时只需一台 3D 打印机,就可以像变魔术一样,以无人干预的方式,实现目标实物的自动化层层制造。

  未来,通过拓展可打印材料的空间、研发多功能的工艺、开发能够克服尺寸限制的打印机、以及突破精度与效率矛盾的控制技术,预计 LS3DP 可被用于巨型复杂结构的自动化制造,比如建筑物、构筑物、高铁动车组、船舶、飞机和火箭的制造。

  同时,这款技术还能满足高风险极端环境建造的需求,比如地下建设、灾后现场重建、或水下设施建设、甚至是太空基地建设等。

科学家研发大规模3D打印技术为打印大型结构打开新大门(图1)

  对于本次论文相关专家评价称:“这项研究为 3D 打印大型结构的发展打开了一扇新的大门。”并表示:“作者在材料、工艺、打印机和软件控制方面,为大尺寸 3D 打印技术的发展指明了方向。”

  论文作者陈晓明(上海建工总工程师)说:“我希望通过 3D 打印这些数智化技术研发,加速行业转型发展”。

  另一位论文作者左自波表示:“我希望通过更多类似 3D 打印技术的研究与实践,让工程建造更简单、更舒适、更经济、更安全、更高效,同时让工人通过新工具的使用,能够活得体面、受人尊重。”

  而他目前所在的上海建工是一家世界 500 强国有特大性企业,曾建造了东方明珠、上海中心大厦、广州塔等中国不同时期最高建构筑物。

  在 3D 打印装备上,该公司曾研发超大型高分子材料 3D 打印装备和大型混凝土 3D 打印移动平台。在 3D 打印工程上,其曾牵头完成中国首座高分子 3D 打印桥普陀桥、泉州 3D 打印桥、世界上最长 3D 打印桥成都桥等。

  在本次研究的基础之上,球友会研究人员将继续探索绿色可回收材料的 3D 打印技术、增减材一体化 3D 打印技术与装备、高精度清水混凝土 3D 打印技术,推进大尺寸 3D 打印的广泛应用。

科学家研发大规模3D打印技术为打印大型结构打开新大门(图2)

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