Черпая вдохновение в природе, исследователи из Princeton Engineering улучшили трещиностойкость бетонных компонентов, объединив архитектурные конструкции с процессами аддитивного производства и промышленными роботами, которые могут точно контролировать осаждение материалов.

В статье , опубликованной 29 августа в журнале Nature Communications , исследователи под руководством Резы Моини, доцента кафедры гражданского и экологического строительства в Принстоне, описывают, как их разработки повысили устойчивость к трещинам на целых 63% по сравнению с обычным литым бетоном. Статья называется «Жесткий двухбулигандный архитектурный бетон, созданный с помощью роботизированного аддитивного производства».

Исследователи были вдохновлены двойными спиральными структурами, которые составляют чешую древней рыбы, называемой латимерией. Моини сказал, что природа часто использует умную архитектуру для взаимного увеличения свойств материалов, таких как прочность и устойчивость к разрушению.

Для создания этих механических свойств исследователи предложили конструкцию, которая упорядочивает бетон в отдельные пряди в трех измерениях. Конструкция использует роботизированное аддитивное производство для слабого соединения каждой пряди с соседней. Исследователи использовали различные схемы конструкции для объединения множества стопок прядей в более крупные функциональные формы, такие как балки.

Схемы проектирования основаны на небольшом изменении ориентации каждого пакета для создания двойной спиральной компоновки (два ортогональных слоя, скрученных по высоте) в балках, что является ключом к повышению устойчивости материала к распространению трещин.

В статье основное сопротивление распространению трещин называется «механизмом упрочнения». Метод, подробно описанный в журнальной статье, основан на сочетании механизмов, которые могут либо защищать трещины от распространения, либо блокировать поверхности трещин, либо отклонять трещины от прямого пути после их образования, сказал Моини.

Шашанк Гупта, аспирант Принстона и соавтор работы, сказал, что создание архитектурного бетонного материала с необходимой высокой геометрической точностью в масштабе строительных компонентов, таких как балки и колонны, иногда требует использования роботов. Это связано с тем, что в настоящее время может быть очень сложно создать целенаправленное внутреннее расположение материалов для структурных применений без автоматизации и точности роботизированного производства.

Аддитивное производство, в котором робот добавляет материал по нитям для создания структур, позволяет дизайнерам исследовать сложные архитектуры, которые невозможны с помощью обычных методов литья. В лаборатории Мойни исследователи используют больших промышленных роботов , интегрированных с передовой обработкой материалов в реальном времени , которые способны создавать полноразмерные структурные компоненты, которые также эстетически приятны.

В рамках работы исследователи также разработали индивидуальное решение для решения проблемы деформации свежего бетона под собственным весом. Когда робот укладывает бетон для формирования конструкции, вес верхних слоев может привести к деформации бетона под ним, что поставит под угрозу геометрическую точность полученной архитектурной конструкции.

Чтобы решить эту проблему, исследователи стремились лучше контролировать скорость затвердевания бетона, чтобы предотвратить деформацию во время изготовления. Они использовали усовершенствованную двухкомпонентную систему экструзии, внедренную в сопло робота в лаборатории, сказал Гупта, который руководил усилиями по экструзии в исследовании.

Специализированная роботизированная система имеет два входа: один для бетона и другой для химического ускорителя. Эти материалы смешиваются в сопле непосредственно перед экструзией, что позволяет ускорителю ускорить процесс отверждения бетона, обеспечивая при этом точный контроль над конструкцией и минимизируя деформацию.

Точно откалибровав количество ускорителя, исследователи получили лучший контроль над конструкцией и минимизировали деформацию на нижних уровнях.