轮廓加工

轮廓制作或轮廓加工(Contour crafting)是南加州大学信息科学研究所(维特比工程学院)的Behrokh Khoshnevis研究的建筑印刷技术,它使用计算机控制的起重机或龙门架快速有效地建造建筑物,同时减少了手工劳动。 它最初被认为是构建工业零件模具的方法。 Khoshnevis决定将这项技术用于快速住宅建设,以此作为自然灾害后重建的一种方式,例如困扰他的祖国伊朗的灾难性地震。

使用快速凝固的混凝土材料,轮廓制作逐层形成房屋的墙壁,直到由起重机设置的地板和天花板顶部。 概念性概念要求在构建层时插入结构组件,管道,布线,实用程序,甚至是视听系统等消费设备。

特征
该技术包括在一层特殊混凝土沿着由程序铺设的路径,建筑物的墙壁之后挤出(挤出)一层,因此该技术得到了这个名称。 在这方面,它与使用StratasysFDM®技术的传统3D打印非常相似(根据工作文件对加热的热塑性细丝进行分层)。

该技术的一个特点是连接机器的附加工具 – 安装在设计位置的操纵器,支撑和支撑结构元件,工程通信(跳线,地板梁/覆盖梁,桁架结构,托盘,烟囱,通风通道)等)。

用于构造支撑结构元件(墙壁,地板)的建筑材料是快速硬化的反应粉末混凝土,用钢或聚合物超细纤维增强。 反应 – 粉末混凝土的一个特征是不存在粗骨料而不损失粘合剂/固体组分的比例,以及最高的性能特征。 也可以使用更便宜的混凝土,例如用添加剂改性的细粒和砂质混凝土(增塑剂,硬化促进剂,纤维)。

加固技术可应用创新技术编织体网框架。 理论上,这些框架可以在构造期间绑定到单个结构中。

技术的优势在于施工速度。 据该车称,它可以建造一个面积为150平方米的住宅楼。 在24小时内。

缺点是复杂性,并且在某些情况下,由于需要创建支撑结构,因此无法建造开放式建筑物和复杂的建筑形式。

历史
卡特彼勒公司在2008年夏季提供资金支持维特比项目研究。

在21世纪初,可以获得理论原理和第一反馈,许多作者正在通过机器人或单个多任务机器人测试或规划整个建筑物的自动建筑系统的未来。

在2002年至2004年期间,建筑自动化的发展比其他领域(特别是汽车和工业机器人)慢,但是通过添加其他工业部门使用的材料,以及在挤压头和适应性改进之后进行快速原型制作材料(水泥,石膏,未固化的陶瓷,使用Adobe,塑料,树脂,聚合物或混合物……的原理)现在理论上已经足够先进,可以根据大学的Khoshnevis进行添加剂构建,包括月球和其他行星南加州。

2007年,正在考虑高架移动式起重机的替代方案:使用通过悬挂在其上的电缆的运动在空间中定向的打印头,这些移动由计算机1控制; Bosscher和他在俄亥俄州的同事正在研究这个选项,并在2008年进行了改进。

2008年,卡特彼勒公司决定提供资金支持维特比研究项目(2008年夏季)。

2009年,来自Singularity大学(非官方硅谷大学)的研究生设立了一个ACASA项目,由Khoshnevis担任项目总监,将“轮廓制作”(CC)技术商业化。

2010年,Khoshnevis表示能够在一天内用起重机或电动龙门架建造一个机器人(House-Bot)满屋(可以用清洁能源供电,安全可再生电力绿色),生产的很少浪费建筑材料。 如果满足这一挑战,这种技术可以大大限制环境影响和碳足迹以及房屋建筑的生态足迹。

同年,Khoshnevis宣布NASA正在评估使用轮廓制作在火星和/或月球上建造基地的可能性,这也需要能够以合理的成本收集,运输和准备月球材料,两年前由Zacny等人研究过的问题。(2007)。

2013年,根据早期工作(2005年),鉴于可能在月球实验室建造,美国宇航局控制南加州大学的一项小型研究,通过考虑潜在的应用,改进这种3D打印技术,可以在ISRU模式下建造月球上的结构或基础设施(现场资源利用),也就是说,含有至少90%的月球材料且不超过10%的材料从地球。

第一座以3D打印的法国建筑(YHNOVA,2017年3月宣布的社会住房应该在南特出生,基于“Batiprint3D”技术,由南特大学申请专利,并与CNRS,学校中心一起构思, Inria和IMT Atlantique,并获得南特大学的专利。

Khoshnevis在2010年表示,NASA正在评估Contour Crafting在火星和月球基地建造中的应用。 三年后,2013年,NASA资助了南加州大学的一项小型研究,以进一步开发Contour Crafting 3D打印技术。 这项技术的潜在应用包括建造一种材料的月球结构,这种材料可以用90%的月球材料建造,只有10%的材料是从地球运输的。

2017年,Contour Crafting Corporation(其中Khoshnevis是首席执行官)宣布与Doka Ventures建立合作伙伴关系并进行投资。 在新闻稿中,他们声称他们“将在明年初开始交付第一台打印机”

原理
房子是在计算机上设计的,然后数据被转发到3D打印机。 3D打印机是一个比建筑物大的全自动龙门机器人; 快速硬化的特殊混凝土和普通混凝土通过混凝土容器供应。

首先,龙门机器人使用快速硬化的特殊混凝土逐层浇筑框架。 它的计算机控制的喷嘴在地面上放置了薄薄的混凝土痕迹,通过两个侧面安装的镘刀使其达到最终形状。 然后框架充满普通混凝土。 此外,可以引入成品钢框架等。 因此,在计算机绘图之后正好创建建筑物。

快速原型制作的这一原则是由美国研究员Behrokh Khoshnevis(洛杉矶南加州大学教授)开发的。

方法
通常,自动化系统允许对材料进行添加,形成或减法管理。 他们还可以结合 – 原位 – 这3种方法。

CC(轮廓制作)方法适应大型构造软件和硬件工具的需要,这些工具用于加工或生产模具以生产铸造厂,玻璃或塑料的工业零件,然后用于3D打印机。

自20世纪90年代中期以来,Khoshnevis一直在逐步将这些技术应用于快速的住宅建设项目,该项目可以在地震等灾难性自然灾害(海啸,地震)之后实施。 在人类存在的太空探索背景下,袭击了他的祖国,伊朗)甚至其他星球。 在欧洲,意大利的Enrico Dini创造了他自己的D-Shape机器,该机器沉积了由无机粘合剂硬化的砂层,以生产高达6米的物体(2014年)。

在第一种情况下,快速凝固的材料,如沙子和水泥的混凝土,与“套加速器”形状一起使用 – 逐层 – 家庭的墙壁和元素,由龙门起重机设置的地板,天花板和屋顶或起重机。

在计算机化计划的上游提供了插入管道,电气和计算机布线,通风或绝缘材料所需的空隙,但是机器人及其龙门架理论上也可以安装管道或结构的一些次要元件,或装饰和保护元件。如镶嵌,瓷砖,石膏,油漆等

替代品或生态变体
他们寻求使用广泛可用的基本材料,并且生态足迹较小(沙子,砾石,粘土等),并使用自由和安全的能源,如太阳能(转化为电能和热量形式) )..

最近(2012-2013),艺术和/或技术实验使用机器在沙子中构造物体或装饰物,有时具有大尺寸。 这种情况就是这样的例子:

由建筑师Michael Hansmeyer和Benjamin Dillenburger以及苏黎世ETH建筑部门制作的印刷建筑(或“计算建筑”)的集合或元素。在这种情况下,3D打印机制造了大型物体(柱子,墙壁,房间)。砂。 这些作品是通过算法形成的,旨在快速生成复杂和装饰性的建筑物,这些物体几乎不可能通过经典雕塑来实现,应该在法国2014年奥尔良FRAC展出。

由计算机控制的“石头喷雾机器人”构建的雕塑或实用物品,能够一次打印多个方向(在两个平面中,垂直和水平),以产生复杂的,可能自支撑的形状(家具,墙壁,雕塑……建在用胶水凝聚的沙子上(生态粘合剂LEEED认证(能源和环境设计领导),电源是光伏板。这个机器人由Shergill,Anna Kulik和Petr Novikov制作,由Jordi Portell监督, IAAC的Marta Male Alemany和Miquel Iloveras(加泰罗尼亚高级建筑研究所(加泰罗尼亚高级建筑研究所;

融化砂中的物体; 融合是通过将太阳光束聚集在更新的沙漠层上而产生的; Markus Kayser开发了第一个非常简单的原型,在撒哈拉沙漠中成功测试,使用由太阳能电池板驱动的计算机驱动的简单菲涅耳透镜(“Solar Sinter Project”)。 镜头将太阳的热量集中在机器中逐层添加的沙子上,该形状被编程为数字模型。

P r Behrokh Khoshnevis与南加州大学以及资助的NASA和Cal-Earth Institute在2014年测试了一个“巨型3D打印机”,该项目将在24小时内建造一座房屋。 打印机在这里是一个根据存储在控制它的计算机中的计划挤出混凝土的机器人。

根据这项技术的支持者,这些机器人可能在未来建造 – 在现场收集(或回收)材料 – 民用和军用建筑物,简易机场,道路,机库或辐射墙以及月球上的可居住结构,游行或其他外星环境。 测试在位于NASA沙漠的实验室(D-RATS)进行。 这个过程已经或已经过小规模测试(项目“未来之家/城市政策倡议”(2004),并被业界多年考虑。

“3D打印运河之家”项目使用一个中等大小的打印机,在一个容器中操作,称为“Kamermaker”,便于现场携带(在荷兰进行测试49),墙壁元素可以很容易地组装在正方形上; 在这种情况下,使用的塑料由75%的植物油制成,但是实验了其他类型的塑料。

商业化
卡特彼勒公司自2008年以来一直资助维特比学校项目。

Khoshnevis还说美国宇航局正在评估轮廓构造作为建立火星和月球殖民化基地的方法。

2009年,Singularity大学的本科学生与Khoshnevis一起成立了ACASA项目,担任CTO,以按轮廓推广建筑。

起源
添加制造的概念存在于使用石膏或灰泥的工匠或装饰者中使用粘土,蜡和建筑的建模者中。 自古以来,由石灰,稻草,纤维等固结或不固结的土坯(banchage)的分层墙的构造已经存在,但它现在可能完全自动化,加速并且不再需要模板。

例子
最成功的轮廓构造系统之一是D-Shape,其开发人员是Enrico Dini。 D-Shape允许您在没有人为干预的情况下执行建筑物。 在这种情况下,D-Shape采用特殊技术将沙子转化为具有微晶特征的矿物,其性能优于波特兰水泥。 根据一些权利要求,这种材料不需要加固。 值得注意的是,与传统方法相比,D-Shape可使您的施工过程加速达四倍。

2009年,D-Shape系统已经竖立了一座3米高的建筑物。

2014年,使用轮廓3D打印混凝土在建筑施工领域开始取得突破。

2014年,上海公司WinSun宣布,首先建造10个3D打印房屋,24小时内建成,然后打印出一栋五层楼的房子和一座豪宅。

南加州大学通过了一项巨型3D打印机的首次测试,该打印机可以打印每天总面积为250平方米的房屋。

预期
在xx世纪末创造了各种或多或少的实验模型,并帮助逐渐生产越来越大的零件,通常是单一材料和相同颜色的零件。

三维打印机最初是科幻小说(Arthur C. Clarke在20世纪60年代引发了一种“复制机器”,这种机器可以在印刷书籍时复制物品,这将对社会产生深远的积极影响:“人类将适应过去的“或漫画”(1972年,在动画片丁丁和鲨鱼湖,Tournesol教授发明了一个三维复印机,立即被Rastapopoulos垂涎,通过复制从主要博物馆偷来的艺术品制造假文件)。

20世纪90年代存在的技术解决方案提出了建筑物或建筑物的快速和全自动建筑的可能性,自动涂装,瓷砖机器人安装以及其他装饰或功能元件,如管道水,燃气,空调或通风,电气,电子或光纤电缆的集成等

2014年,存在机器人外科医生,包括脑外科手术。 一些医疗机器人可以远程控制(远程),并且在开发模型下已经可以适应患者的实时呼吸运动或反射。 他们认为应用于建筑的3D打印的准确性可以进一步提高。

同样,随着技术进步,未来材料的类型可能会增加。 还考虑了用于存储或传导或过滤空气,水,湿气,卡路里或冷冻剂,信息等的反应性或“智能”材料。

仿生学可以激发工程师和建筑师的灵感,为生态住房提供新的理念,环境足迹极低,没有“水足迹”或碳足迹,或者可能回报他们的生态债务。 这样的构造可以例如受到某些白蚁丘,生物结构和/或光合生物等的构建模型的启发,使用能够产生具有新特征的纳米结构材料的微机器人。