Лабораторный комплекс гражданской инфраструктуры Бовей, расположенный в подвале Thurston Hall, получил нового арендатора: промышленного робота весом около 6000 фунтов, способного 3D-печатать крупномасштабные конструкции, которые потенциально могут преобразовать строительную отрасль, сделав ее более эффективной. и устойчивым за счет устранения отходов производства традиционных материалов.

Процесс 3D-печати, также известный как аддитивное производство, уже привел к прорывам в прототипировании продуктов и биомедицине. Однако когда дело доходит до крупных строительных проектов, остается много вопросов о том, как конструкции, напечатанные на 3D-принтере, будут работать в реальном мире.

Обладая способностью тестировать и проверять изготовленные материалы и конструкции всех типов и размеров, лаборатория Bovay Lab особенно хорошо подходит для крупномасштабной 3D-печати с учетом движений, а также напряжений и деформаций.

Корнелл теперь является одним из немногих университетов в США, имеющих такую ​​систему. По словам Дерека Уорнера, профессора гражданской и экологической инженерии, это не только позволит преподавателям Инженерного колледжа проводить исследования в области строительства роботов, но и даст студентам практический опыт в быстрорастущей технологической области гражданской инфраструктуры.

«Роботизированная кладка (укладка кирпича), печать из переработанного пластика и печать из металла в больших масштабах — все это захватывающие области с большими возможностями для роста как с точки зрения науки и понимания, так и с точки зрения технологий и инженерии», — сказал Уорнер. «Масштабирование многих явлений, контролирующих процессы сборки, таково, что их необходимо изучать в масштабе, близком к тому, в котором они будут использоваться. То же самое относится к некоторым явлениям, контролирующим производительность. неизвестные сюрпризы, возникающие при раннем масштабировании с помощью новой технологии».

Система промышленного робота IRB 6650S прибыла в феврале, и в течение последних нескольких месяцев лаборатория обучалась использованию роботизированной системы, которая по сути представляет собой длинную поворотную руку, и выполняла ряд тестовых отпечатков среднего размера, включая скамейки и плантаторов, даже большая буква C в шрифте Cornell.

« Роботизированная система универсальна и гибка», — сказал Шрирамья Наир, доцент кафедры гражданского и экологического строительства. «Один из способов, которым мы его используем, — это 3D-печать бетона, но его можно использовать и по-другому. Вы можете подключить сварочный аппарат или лазерную систему. Вы можете складывать кирпичи или связывать арматуру. Многие утомительные процессы могут быть автоматизирован».

Робот установлен на 12-футовой дорожке с круговой досягаемостью около 12 футов, с общей площадью покрытия до 8 на 30 футов, хотя лаборатория не планирует печатать что-либо настолько большое. Джеймсу Стрейту, менеджеру по техническим услугам лаборатории Бовея.

Управление системой — это командная работа. Одна группа людей смешивает предварительно приготовленный раствор и добавляет добавки, такие как суперпластификатор, который уменьшает содержание воды в смеси и улучшает ее прохождение через шланг. Другая группа управляет контроллером робота, чтобы регулировать количество смеси, проходящей через систему. Когда смесь достигает головки и сопла экструдера робота, вводится упрочняющая добавка, благодаря которой материал загустевает по мере его заливки.

Получение правильной консистенции может быть проблемой. Назовем это дилеммой Златовласки.

«Нижние слои должны быть достаточно жесткими, чтобы удерживать следующий печатаемый слой. Но они не могут быть настолько жесткими, чтобы, когда вы печатаете следующий слой сверху, он не прилипал к нему», — сказал Стрейт. «Вам нужно сделать там склеивание, но оно не может быть настолько мягким, чтобы оно выдавливалось».

Процесс трудоемкий, но при успешном выполнении 3D-печать устраняет необходимость в литейных формах, а также позволяет создавать нетрадиционные формы — оптимизации, позволяющие тратить меньше материала.

«Каждый раз, когда вы заливаете литой бетон, например, для тротуара, вы должны установить все формы. Это требует труда, материалов, вы должны все это закрепить. Все это занимает много времени», — сказал Стрейт. . «Каждое изменение, которое вы вносите в бетонную конструкцию, вы должны модифицировать форму или получить новую форму и потратить на это много труда. Это намного сложнее, чем обратиться к компьютерной программе и сказать: «Вы хотите, чтобы это было округлено?» Нажмите. .Пару часов и готово.

Наир планирует внедрить эту систему в новый курс, который она ведет осенью, «Устойчивое развитие и автоматизация: будущее строительной отрасли», который поможет подготовить учащихся к грядущим изменениям в их области.

«Мы даем им возможность узнать о том, что является передовым и происходит прямо сейчас», — сказал Наир. «Чем больше они знают, тем больше они могут быть поборниками перемен, но также знают, какие могут быть ограничения».

На данный момент система представляет собой 3D-печать раствором, который технически представляет собой пасту с заполнителем размером до 4 миллиметров. Все, что больше этого размера, может заклинить и повредить насосную систему. Тем не менее, команда Наира намерена создать собственную головку экструдера для печати бетона, армированного стальным волокном, в котором используется более крупный заполнитель, способный выдерживать более высокие нагрузки. Это проложит путь лаборатории для 3D-печати полных компонентов моста и их тестирования.

Наир также надеется, что ее группа сможет создать свою собственную смесь для печати, а не полагаться на предварительно смешанный материал производителя.

«Углеродный след этих материалов сейчас очень высок», — сказала она. «Итак, это еще одна цель — уменьшить углеродный след, связанный с материалами, напечатанными на 3D-принтере».