3D打印机器人实现可持续建筑

位于瑟斯顿大厅地下室的Bovay民用基础设施实验室综合体迎来了一个新租户：一个重约6,000磅的工业机器人，能够3D打印可能改变建筑业的大型结构，使其更高效通过消除传统材料制造的浪费，实现可持续发展。

3D打印过程(也称为增材制造)已经在产品原型设计和生物医学方面取得了突破。然而，对于大型建筑项目，3D打印结构在现实世界中的表现仍然存在许多问题。

Bovay实验室能够测试和验证所有类型和尺寸的制造材料和结构，特别适合将大规模3D打印置于运动、应力和应变中。

康奈尔大学现在是美国仅有的几所拥有这样一个系统的大学之一。土木与环境工程教授德里克·华纳(DerekWarner)表示，它不仅能让工程学院的教师进行机器人建筑研究，还能让学生在土木基础设施内快速发展的技术领域获得实践经验。

“机器人砌体(砌砖)、再生塑料印刷和大规模金属印刷都是令人兴奋的领域，在科学和理解以及技术和工程方面都有很大的发展空间，”华纳说。“控制构建过程的许多现象的缩放比例使得它们需要在接近它们将被使用的范围内进行研究。这同样适用于控制性能的一些现象。另外，总是有使用新技术进行早期扩展时会发生未知的意外。”

IRB6650S工业机器人系统于2月到货，在过去的几个月里，该实验室一直在训练使用该机器人系统(本质上是一个长长的旋转臂)并运行许多中等尺寸的测试打印件，包括工作台和种植园主，甚至是康奈尔字体中的大字母C。

“机器人系统用途广泛且灵活，”土木与环境工程助理教授SriramyaNair说。“我们使用它的一种方式是对混凝土进行3D打印，但它也可以用于其他方式。您可以连接焊机或激光系统。您可以堆叠砖块或系紧钢筋。许多繁琐的过程可以自动化。”

该机器人设置在一条12英尺长的轨道上，圆形范围约为12英尺，总覆盖区域可达8英尺乘30英尺，尽管实验室预计不会打印出那么大的东西。致Bovay实验室技术服务经理JamesStrait。

操作系统是一个团队的努力。一组人混合预先配料的砂浆并搅拌添加剂，例如降低混合物的水含量并改善其通过软管的流动性的减水剂。另一组操作机器人的控制器来调节有多少混合物流过系统。当混合物到达机器人的挤出机头和喷嘴时，会引入一种硬化添加剂，使材料在倾倒时变稠。

获得正确的一致性可能是一个挑战。称之为金发姑娘困境。

“底层需要有足够的刚性来支撑正在打印的下一层。但它们不能太刚性，以至于当你在上面打印下一层时，它不会粘在上面，”Strait说。“你需要在那里粘合，但你不能让它太软以至于它会被压扁。”

该过程是劳动密集型的，但如果成功完成，3D打印消除了对铸模的需求，还允许创建非常规的形状——浪费更少材料的优化。

“任何时候浇注混凝土，比如人行道，都必须设置所有模具。这需要人工和材料，你必须把它全部固定下来。所有这些都需要很多时间，”海峡说.“你对混凝土结构所做的每一次改变，你都必须修改模具或获得一个新模具并花费劳动力来做这件事。这比使用计算机程序说“你想要这个圆形?”要困难得多。.几个小时，你就完成了。

Nair计划将该系统整合到她在秋季教授的新课程“可持续性和自动化：建筑业的未来”中，这将帮助学生为他们所在领域即将发生的变化做好准备。

Nair说：“我们正在给他们一个机会来学习一些最前沿的东西，并且正在发生。”“他们知道的越多，他们就越能成为变革的拥护者，但也知道限制可能是什么。”

目前，该系统是使用砂浆进行3D打印的，从技术上讲，砂浆是一种聚合体尺寸达4毫米的糊状物。任何比这更大的东西都可能堵塞和损坏泵系统。然而，奈尔的团队打算建造自己的挤出机头来打印钢纤维混凝土，这种混凝土使用更大的骨料，可以承受更重的负荷。这将为实验室3D打印全桥组件并对其进行测试铺平道路。

Nair还希望她的团队能够创建自己的混合物来打印，而不是依赖制造商的预混材料。

“这些材料的碳足迹现在非常高，”她说。“所以这是另一个目标，即减少与3D打印材料相关的碳足迹。”