3D建筑打印研究综述

3D打印技术出现在20世纪90年代中期,是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术,其实质是增材制造技术。该文对3D建筑打印相关文献资料和实例进行梳理、汇总,分析了国内外研究现状与发展趋势,总结了目前主流的3D建筑打印工艺方法与特点。其中,D-Shape打印工艺以细骨料和胶凝料为打印材料,形成特定形状且坚固的石质建筑物;轮廓工艺(Contour Crafting)以混凝土为打印材料,通过计算机自动化施工方法来构建整个房屋;尼龙纤维激光烧结工艺(Softkill Design)则以骨骼架构为原型,以纤维尼龙为材料制作所有的部件。若在这些技术研究基础上,增强相互之间的交流融合,发展新的低成本的3D打印方法体系,将有助于解决全球住房危机和节约能源、环保等问题,促进社会和谐发展。

3D建筑打印技术及其混凝土材料的研究进展

针对3D打印技术在建筑行业中的应用及3D打印建筑材料的技术要求进行了综合的论述,介绍了3D打印技术在建筑工程领域应用的优越性.通过查阅大量文献,现场考察,论述了目前国内外在3D打印建筑探索与应用上的研究进展,并对其在实际生产过程中主要采用的三种3D打印工艺的打印流程及打印特点进行了分析,包括:DShape打印工艺、建筑轮廓工艺、尼龙纤维激光烧结工艺.之后,对3D打印混凝土材料及3D打印干混砂浆材料两种3D建筑打印建筑材料的特点及性能进行了分析.在此基础上,指出了目前3D建筑打印技术发展过程中存在的主要技术瓶颈,并对其进行探讨与总结.整体来说,尽管3D打印技术仍处于初步发展阶段,但相对于传统施工工艺,其具有降低成本、缩短工期、提高质量、降低施工作业危险等诸多竞争优势,具有良好的应用前景.

框架式3D建筑打印机控制系统设计

针对传统建筑施工存在工作环境恶劣、劳动强度大以及异形构件的制造需要预制模具且难以实现个性化设计的问题,设计了一种框架式3D建筑打印机。首先,考虑到系统的可扩展性,采用STM32H750芯片作为核心控制器,并结合伺服驱动单元设计框架式3D建筑打印机控制系统的硬件结构。然后,提出基于梯形加减速控制的速度前瞻处理方法来规划打印速度,通过分析打印轨迹拐点的角度及其前后运动段长度的限制条件来确定拐点处的最佳打印速度。最后,引入RT-Thread嵌入式操作系统来进行打印任务管理和调度,以提高控制系统的稳定性,并设计了人机交互界面。测试结果表明:采用速度前瞻处理方法的框架式3D建筑打印机的自动化程度和打印效率较高,其可以稳定地打印形状各异的建筑构件,且混凝土成型均匀,无断料或积料。所设计的打印机为混凝土建筑构件的智能化制造提供了一种新方法,具有良好的工程应用价值。

一种3D建筑打印机的设计研究

随着人工智能时代的到来,建筑业也开始研究用智能化取代人工化,3D建筑打印绿色环保、省时、省力,逐渐成为各国建筑行业研究热点。针对三自由度3D建筑打印机的设计进行研究,通过三维Solid Works软件进行实体建模、工作原理仿真并对机器运动系统以及混凝土配比对打印结果的影响因素进行了分析。对比3D建筑打印机与传统建筑方式,结论得出新型的建筑方式比传统方式具有周期短、低成本、成型质量高、节能环保等突出优势。

我省3D建筑打印大有可为亟需加快产业培育

3D建筑打印是一种建立在数字模型上的快速成型技术,简单来说,就是用水泥材料、添加物、独特化学纤维和特殊骨料等制成的油墨,通过专门的计算机图形处理软件,将配置好的混凝土料浆从喷头中挤压,打印成所需的部件或构造。近年来,我省3D建筑打印产业发展取得一定进展,其与装配式建筑的结合更是有望开启建筑经济新蓝海。经过梳理研究,产业发展具备三大优势、面临三大机遇,但仍存在三大困难,亟需采取有效措施,加快产业培育步伐。

建筑3D打印用胶凝材料及其相关性能研究进展

3D打印是一种基于数学模型利用机械设备增材制造的快速成型技术。近年来,3D打印在建筑行业得到快速发展。相对于传统成型工艺,建筑3D打印技术具有无需模板支撑、施工方便、设计自由度高等优点,因此受到了全世界研究人员和学者的广泛关注。当前,普通硅酸盐水泥、快硬早强型特种水泥、复合型普通水泥、碱激发胶凝材料及石膏基胶凝材料等五大类胶凝材料在3D打印中已得到了一定的应用,但仍然存在不少问题。例如,一方面,与传统泵送混凝土不同,3D打印混凝土需要较快的凝结时间和强度发展速率来满足层间结构的压力,而普通硅酸盐水泥长达45 min的初凝时间和不迟于360 min的终凝时间无法满足打印构件层间作用力快速增长的要求;另一方面,水泥基3D打印胶凝材料的构件层间抵抗弯矩、剪力的能力不足。碱激发胶凝材料应用于3D打印主要存在凝结时间难以调控、体积收缩率大、容易产生开裂等问题。而石膏基胶凝材料存在耐水性差等问题。因此,对3D打印胶凝材料的开发与调控仍是很长一段时间内3D打印建筑研究的重点之一。与此同时,3D打印技术在建筑行业应用的缺点也很突出:3D打印过程中无模板支撑,以逐层叠加的方式成型,一方面,无法直接添加钢筋,从而导致抗弯强度较低,另一方面,打印过程中造成的层间弱面和引入的空隙在一定程度上成为打印结构潜在的缺陷,造成构件的非均质性,削弱了结构的整体承载能力和长期耐久性能等,从而阻碍其广泛应用。这也意味着其成型工艺对新拌混凝土的性能及在3D打印中的特性提出了更高的挑战。本文归纳了建筑3D打印用胶凝材料及其相关性能研究进展,分别对普通硅酸盐水泥、快硬早强型特种水泥、复合型普通水泥、碱激发胶凝材料及石膏基胶凝材料等五大类胶凝材料在建筑3D打印中的应用研究以及3D打印浆体的凝结时间与开放时间、流动性、挤出性、可建造性、粘结强度、各向异性强度及耐久性进行介绍,并总结了3D打印胶凝材料结构或构件的应用,分析了目前建筑3D打印面临的问题并展望其前景,以期为3D打印技术在建筑行业的应用及推动其进步提供参考。

基于EthernetKRL实时通讯的库卡机械臂在线建筑3D打印控制研究与应用

建筑行业的工业化、智能化程度远落后于制造业等其他行业。建筑领域劳动力短缺、成本增加等问题与机器人技术高速发展相契合,建筑业的智能转型升级是推动建筑业持续健康发展的必然趋势。本文根据建筑3D打印的特殊性,设计了一种新型的行走式建筑3D打印机器人,发挥移动机械臂的移动性和灵活性等优势,覆盖普通民用住宅的打印范围。通过库卡的Ethernet KRL实时通讯协议,可实现机器人控制系统与上位机的数据通信;本文设计开发了一套在线控制及3D打印运动仿真软件,解决了传统机械臂示教编程的缺点,实现机械臂3D打印程序的自动规划、安全避障、运动仿真和在线运动控制。本文重点研究了基于Ethernet KRL实时通讯的机器人在线打印程序控制、墙体打印过程中可能涉及到的两侧墙体障碍点提前避障及运动仿真验证,以及基于运动学原理对建筑3D打印过程中六轴机械臂可能会经过的奇异点算法规避和运动仿真验证,避免机器人在打印过程中发生意外碰撞和奇异点停机的情况,确保墙体打印过程的完整性。

混凝土建筑3D打印计算机模拟研究综述

总结了国内外混凝土建筑3D打印计算机模拟研究现状,介绍了计算机模拟技术在建筑3D打印性能以及流动性、堆积性和形态检测中的应用情况,并对计算机模拟技术在建筑3D打印中的应用进行了展望。

固废基建筑3D打印材料的制备及性能研究

研究了建筑垃圾(微粉、再生砂)和钢渣(粉、砂)单、双组分固废对建筑3D打印材料可打印性和力学性能的影响,并优选出了最佳配合比。结果表明:采用单组分固废较难实现固废的大掺量(>50%)利用;与同条件下的单组分固废相比,双组分固废基建筑3D打印材料的可打印性得到一定改善,其中,当m钢渣砂∶m再生砂=1∶1、m钢渣粉∶m微粉=7∶3时,JS4组打印材料的可打印性和可建造性总体上显著优于其他组;与浇筑试件相比,打印试件Y、Z方向的抗折强度相差较小,但X、Y、Z方向的抗压强度明显较低。

建筑3D打印胶凝材料工程性能评价体系研究

在相关研究的基础上归纳总结了建筑3D打印胶凝材料的工程性能,包括可打印性、力学性能等,其中,可打印性包括流动性、可挤出性、可建造性、凝结时间、一次打印长度、挤出形态质量等;力学性能包括抗折强度与抗压强度。此外,选取可打印性与力学性能所包含的指标作为影响因子,利用层次分析法确定了因子权重,提出了因子赋值标准及评价结果分级标准,建立了建筑3D打印胶凝材料的工程性能评价体系,并设计正交试验计算性能指标值,对材料的工程性能进行了评价,可为3D打印胶凝材料工程性能相关研究提供参考。

建筑3D打印数字建造技术研究应用综述

3D打印技术起源于20世纪80年代末,也称为"增材制造"或"快速原型"技术。21世纪以来,随着3D打印技术的引入,数字建造成为了建筑领域数字化发展的趋势。本文对国内外现有建筑3D打印技术相关研究及应用情况进行了分析,依据使用材料和打印工艺将目前主要建筑3D打印技术归纳为三类:基于混凝土分层喷挤叠加的增材建造方法、基于砂石粉末分层粘合叠加的增材建造方法和大型机械臂驱动的材料三维构造建造方法。文章对未来建筑3D打印的研究方向提出了若干展望,包括材料理论及新材料研发、机械设备及工艺改良、软硬件协同和智能化控制研究、3D打印构件及结构力学性能研究、技术适用性及工作模式研究、技术标准体系研究、社会经济效益评价研究等方面。

3D打印建筑砂浆流变性与打印性能及其相关性

3D打印建筑砂浆的打印性能受其流变性能的影响,基于自制的3D打印设备和提出的3D打印建筑砂浆挤出性能与打印性能的测试评价方法,对3D打印建筑砂浆的流变性能、打印性能以及凝结时间的试验结果进行汇总分析,结果表明:具有良好打印性能的3D打印建筑砂浆须具有适宜的流变性能以及合适的凝结时间;可挤出性是实现3D打印堆积过程的前提,随着打印砂浆挤出性能的增加,打印高度有降低的趋势;可打印砂浆的流变性能处在一定的参数范围内,其范围为:表观黏度在4.0~7.0 Pa·s之间、屈服应力在50~80 Pa之间,触变性在900~2000 Pa/s之间。

基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证

建筑3D打印技术是一种全新的自动化建造技术,在大尺寸建筑结构的自动建造中应用潜力巨大,而国内外关于建筑3D打印技术的研究尚处于起步阶段。本文针对建筑3D打印工艺中的挤出固化打印技术,集成数控技术、机械技术、计算机技术等设计研制了一套建筑3D打印装置,该打印装置由控制系统、XYZ运动系统、挤出系统、数据处理系统等模块组成,并且给出了各系统模块的具体技术参数。最后通过一个基于挤出固化的建筑3D打印实验,验证了本文中设计的基于挤出固化建筑3D打印装置的合理性,并对实验装置、实验材料以及实验验证的全部过程进行了系统分析。实验分析结果表明该建筑3D打印装置具备良好的集成控制功能,可以完成建筑信息模型的实体化建造。

3D打印建筑技术及应用趋势

自动化生产在工业制造领域应用广泛,但是在建筑业却发展缓慢。近年来发展迅猛的3D打印技术使打印建筑物成为可能,从而实现建筑建造自动化。介绍了一种全新的建筑建造技术——3D打印建筑技术,重点介绍了"轮廓工艺"和"D-Shape"。新型的建造技术催生出新型建造逻辑、新型结构形式和新型建筑材料,它将广泛而深入地影响设计和建造的每个环节,颠覆传统的建筑行业。从事建筑行业的人员要格外关注3D打印建筑技术的发展。

聚合物对3D打印建筑砂浆流变性能的影响

研究了聚合物在不同剪切速率下对3D打印建筑砂浆表观黏度的影响,同时还对3D打印建筑砂浆的触变性、屈服应力和塑性黏度进行了研究.结果表明:单掺保塑剂(HMC)会对3D打印建筑砂浆的表观黏度、触变性、塑性黏度和屈服应力产生较大的影响;HMC与塑化剂(KHC)复掺、乳胶粉(FX)与KHC复掺以及HMC、KHC、FX复掺具有很好的协同效应;复掺HMC、KHC、FX的砂浆在适当掺量下,可取得良好的3D打印性能.

多元参与视角下我国建筑3D打印研究应用综述

建筑3D打印是新时代极具潜力的一种建造方式,对我国建筑业的转型升级有重大意义。从多元参与的视角,分别概括我国科研院所、市场机构和政府部门多元主体主导的建筑3D打印研究应用现状,找出目前我国从事建筑3D打印的主流科研院所和市场机构,梳理我国建筑3D打印理论、技术和应用等方面的研究成果,总结我国建筑3D打印领域的政策标准和政企合作实践,发现我国建筑3D打印领域存在科研院所成果局限性较大、市场机构核心竞争力较弱、政府部门扶持力度不足以及多元合作度较低等四个方面的不足,进而提出完善打印技术与理论、出台产业标准与政策以及协同多元合作与发展等三个方面的对策建议。

3D打印建筑技术应用研究

近年来,3D打印技术的快速发展,带动了其在建筑领域的研究及实践。新的建造技术是对传统技术的挑战和补充,同时促使了建筑设计、材料研发、计算机编程、机械设计等多方面的创新。本文通过一些3D打印建筑应用案例及设计的研究,分析本技术的特点,对3D打印建筑的发展进行展望。

建筑3D打印技术及材料的研究进展

3D打印技术在建筑领域的研究与应用逐渐成为世界范围内的热点研究课题之一,建筑3D打印材料的研究与开发是3D打印技术在建筑领域应用的重点和难点。本文回顾了3D打印技术的发展历程,在总结国内外建筑3D打印技术的基础上,重点介绍了建筑3D打印材料的研究状况和进展,并对目前建筑3D打印材料的应用和问题进行了概括,对建筑3D打印材料未来的发展进行了展望。

关于3D打印机制作小尺寸建筑模型中存在问题的一些思考

通过建筑STL模型分解、使用多打印头技术、PLA材料和PVA水溶性支撑材料提高建筑3D模型的打印尺寸和打印精度。让3D打印技术在建筑设计教学内能够更普遍的使用。

3D打印技术在建筑领域的应用

3D打印于20世纪80年代末起,在几波3D打印技术浪潮中突飞猛进,得到了质的提高。至此,3D打印技术开始在多个领域稳步发展,3D打印技术的运用已经蔚然成风。本文首先分析了3D打印技术在建筑沙盘模型制作的发展历程,重点介绍了国内外发展现状,梳理了实际项目研究中的问题及改进方法,最后对3D打印技术的现行研究意义进行讨论。