看大规模三维打印如何成就建筑物的复杂形状?

美国现代建筑学家托伯特·哈姆林,提出了现代建筑技术美的10大法则,即:统一、均衡、比例、尺度、韵律、布局中的序列、规则的和不规则的序列设计、性格、风格、色彩等,较全面地概括了建筑美学的基本内容。建筑的审美标准不仅要求使人感官愉悦,更重要的是恰当地表现形象本身所包涵的伦理的、政治的内容。

然而,由于制造技术的局限性,追求美学的成本是昂贵且耗费时间的,我们所看到的让人叹为观止的那些富有美感的建筑很多是通过人的手工或者是昂贵的机加工制造模板的方式来实现的。值得高兴的是,3D打印技术在成就建筑的复杂形状方面,尤其是实现带有复杂的曲面和丰富的细节等方面为我们带来了可替代人工的,另外一种曲径通幽的解决方案。

建筑模板是混凝土浇筑成形的模壳和支架,是一种临时性支护结构,按设计要求制作,使混凝土结构、构件按规定的位置、几何尺寸成形,保持其正确位置,并承受建筑模板自重及作用在其上的外部荷载。

在建筑结构中,墙壁需要以90°角(垂直)彼此定位。如果出现突出、弯曲或偏移的部分,都需要特殊的建筑模板,制造这种模板的传统制造方式耗时耗力,而三维弯曲模板这样的复杂建筑模板制作更是困难。根据3D科学谷的市场观察,以voxeljet-维捷为代表的粘结剂喷射3D打印技术是制造建筑模板的新兴技术,其优势是快速、准确的直接制造复杂建筑模板。

block 从试验到制造

模板传递复杂性

德国voxeljet-维捷与ZÜBLIN和MEVA的各种合作项目已经证明了通过3D打印模板用于成就建筑物的复杂形状的有效性和效率。

voxeljet-维捷最初的项目之一是“斯图加特21”项目,其中包括在地铁站创建的复杂漏斗形状。这些复杂形式的独特之处在于双曲面形状,尤其是在上部。在建造过程中,实现了包括传统模板和3D打印模具的混合解决方案。

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voxeljet_Building_2图片来源:voxeljet-维捷

作为测试,在voxeljet-维捷位于Friedberg的总部3D打印了四个建筑模板,并用环氧树脂渗透硬化。 3D打印过程是通过voxeljet-维捷的VX4000设备上完成的。所有四个模板中最大的一个是一体打印完成的,尺寸为1980 x 1082 x 289 mm。 3D打印过程大约需要一天。最后,两立方米的混凝土被填充到模板型腔中,从而生成所需的复杂几何形状。

此外,在建筑环境下,通过这种合作,成功地测试了模板的安装,拆除的一般处理过程。并证明了3D打印的防水模板可以毫无问题地重复使用,这使得混凝土成型更加经济。

voxeljet_Building_3图片来源:voxeljet-维捷

这项大规模测试也为将3D打印模板用于混凝土浇筑的应用带来了可观的市场空间,通过3D打印的建筑模板可以在厚度方面变得更薄,从而使得3D打印模板的体积,重量和成本的进一步下降。

block 从1到n

要平滑还要均匀

3D科学谷了解到voxeljet-维捷在3D打印建筑模板方面具有颇多的案例,其中还包括德国SAB(萨克森自由州的国家发展研究所)在总部建设的带有中间平台的半圆形楼梯,楼梯安装在支撑墙上。这需要一个非常复杂而精确的混凝土模板,以实现楼梯平滑,均匀的曲线,SAB 将此工作委托给了模板供应商Doka。

经过对楼梯模板设计的广泛评估,Doka根据模板的复杂程度对不同表面进行了分类:一类是传统的具有圆柱形或圆锥形的单轴曲面;另一类是这个楼梯与众不同的三轴曲面,也就是楼梯到支撑墙内侧的圆形悬垂。

通过传统工艺生产这种形状三轴曲面是非常耗时的,在制作时先用木头或是塑料铣削出模板,再进行手工组装,然后再进行多次研磨和涂层。由于这种模板通常由各个单独部分组合而成,需要粘合在一起。为了获得均匀的混凝土表面,还需要多次对表面进行砂磨和平滑处理。

承载部件要采用有机材料并需要在张力状态下组装起来,而在施工现场,温度和湿度的波动乃至一般天气条件的影响下,都容易发生裂缝,这明显会影响质量。

快、好、省的模板制造

Doka 选择采用voxeljet-维捷的粘结剂喷射3D打印技术来制造这个三轴曲面模板。根据3D科学谷的了解,voxeljet-维捷 使用其VX 4000 粘结剂喷射3D打印打印系统制造Doka 需要的建筑模板,该系统可生产总体积为 4.00 x 2.00 x 1.00 m 的建筑模板,打印速度为139 l / 小时。

相比传统方式,粘结剂喷射3D打印技术可以更快地生成组件,可以直接根据3D数据进行模板制造,减少了工程工作量。由于这是一种数字化制造技术,如果建筑用户在今后需要制造同一设计但不同尺寸的建筑模板,则可以通过尺寸修改,再次进行3D打印,模板制造是易于重复的。

此外,从设计到装配的3D打印几何形状的数据一致性,保证了模板的高精度,高精度减少了现场手动返工的后顾之忧。。由于材料均质,受天气条件影响小,使得质量得到了保证。voxeljet-维捷制造的3D打印模板可承受高达100 kN /m的混凝土浇铸压力,对所使用的脱模剂和混凝土没有限制。

voxeljet formworks

在制造时,voxeljet-维捷在德国服务中心3D打印了七块砂模,壁厚为21毫米,随后使用环氧树脂渗透获得必要的刚性,然后经多打磨和涂层之后,模板即可使用。打印完成后的后处理,增强了3D打印模板的耐候性和耐刮擦性。目前,在voxeljet 德国、中国、印度等地的3D打印服务中心,都可以提供建筑模板快速制造服务。

在工程中,3D打印模板还将需要与传统模板相结合,为了能够与Doka 标准的建筑模板组装在一起,在设计3D打印三轴曲面模板时,设计师预留了组装用的孔、连接插件。

这一3D打印模板在装配时只需要通常装配时间的十分之一。在组装模板时,3D打印模板与Doka的CNC切割Xlife面板百分之百匹配,这种混合制造模板的方法保证了模板制造的成本效益。

通过voxeljet 3D打印模板所制造的建筑楼梯混凝土浇筑结构,没有产生渗透或是蜂窝现象,质量很好。通过与voxeljet-维捷的合作,Doka认为以后可以将粘结剂喷射3D打印模板应用于制造更多的建筑表面结构。

block 成就数字化建筑

让天花板带有波浪花纹

DFAB 房屋是苏黎世联邦理工学院研究人员和工业合作伙伴之间的合作项目,作为3D打印架构的真正壮举,该建筑采用了一系列尖端技术构建,包括增材制造,机器人和数字规划。

3D科学谷了解到DFAB 房屋最引人注目的特色之一是其复杂的天花板,采用3D打印技术与浇筑结合制作而成。

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通过voxeljet-维捷的大型砂型3D打印工业级设备来生产模板 ,然后浇筑混凝土以形成天花板,其重量仅为相同尺寸传统天花板的一半。

通过计算设计实现了重量减轻,这使得工程师能够在保持结构完整性的同时降低天花板厚度。通过汇集ETH苏黎世联邦理工学院和众多行业合作伙伴的专家智慧,DFAB 房屋展示了如何以真正革命性的方式应用新的数字技术来实现真实世界的应用。至关重要的是,建造房屋所采用的技术不仅使建筑过程更有效,而且更具可持续性。例如,数字设计的功能,例如天花板和地板,在减轻重量的同时仍然满足力学等建筑学性能的要求。

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人物出场顺序介绍:中国3D打印文化博物馆朱丽女士、上海九三读书会发起人卜永强博士、3D科学谷创始人,《3D打印与工业制造》作者王晓燕女士

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