Био-вдохновление: как омары могут помочь сделать бетон на 3D-принтере прочнее
Новое исследование показывает, что узоры, вдохновленные панцирями омаров, могут сделать бетон, напечатанный на 3D-принтере, более прочным, чтобы поддерживать более сложные и творческие архитектурные конструкции.
Цифровые производственные технологии, такие как 3D-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, напечатанный на 3D-принтере, достаточно прочным для использования в конструкциях более свободной формы.
В новом экспериментальном исследовании исследователи из Университета RMIT рассмотрели естественную прочность панцирей омаров для создания специальных моделей для 3D-печати.
Их биологические спиральные узоры улучшили общую долговечность напечатанного на 3D-принтере бетона, 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 3D-печать и аддитивное производство открывают возможности в строительстве для повышения эффективности и творчества.
«Технология 3D-печати на бетоне имеет реальный потенциал для революции в строительной отрасли, и наша цель - приблизить эту трансформацию», - сказал Тран, старший преподаватель по структурированным материалам и дизайну в RMIT.
«Наше исследование исследует, как различные печатные рисунки влияют на структурную целостность бетона, напечатанного на 3D-принтере, и впервые раскрывает преимущества био-вдохновленного подхода в 3DCP.
«Мы знаем, что природные материалы, такие как экзоскелеты омаров? Превратились в высокоэффективные конструкции за миллионы лет, поэтому, подражая их ключевым преимуществам, мы можем проследить за тем, что природа уже внедрила инновации».
3D 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.
3D-принтер для бетонных работ строит дома или изготавливает структурные компоненты путем послойного нанесения материала, в отличие от традиционного метода заливки бетона в форму.
С помощью новейших технологий дом можно напечатать на 3D-принтере всего за 24 часа примерно за половину стоимости, в то время как строительство первого в мире сообщества 3D-печати началось в 2019 году в Мексике.
Развивающаяся отрасль уже поддерживает архитектурные и инженерные инновации, такие как офисное здание, напечатанное на 3D-принтере в Дубае, имитирующий природу бетонный мост в Мадриде и голландское «Здание Европы» в форме паруса.
Исследовательская группа инженерной школы RMIT занимается 3D-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 3D-печати, - однонаправленный, когда слои накладываются друг на друга параллельными линиями.
В новом исследовании, опубликованном в специальном выпуске журнала « 3D-печать и аддитивное производство», изучалось влияние различных печатных форм на прочность бетона, усиленного стальным волокном.
Предыдущее исследование группы 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) стандартные однонаправленные шаблоны.
Поддержка сложных конструкций
Результаты показали улучшение прочности каждого рисунка по сравнению с однонаправленной печатью, но Тран сказал, что спиральные рисунки наиболее перспективны для поддержки сложных бетонных конструкций, напечатанных на 3D-принтере.
«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 поддержаны новым крупномасштабным мобильным 3D-принтером для бетона, недавно приобретенным 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 3D-печати домов, зданий и крупных структурных компонентов.
Команда также будет использовать машину для изучения возможностей 3D-печати бетоном, сделанным 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.
