评估混凝土的3 d印刷结构成员
本尼拉斐尔
Shanmugaraj Senthilnathan
阿布·帕特尔
Saqib Bhat- 土木工程部门,印度科技学院的马德拉斯,钦奈,印度
混凝土三维印刷(3 dp)是一个潜在的技术提高自动化和引入数字制造在建筑业。混凝土三维印刷提供了一个重要的优势传统或预制的方法,如拓扑优化设计的前景和整合功能组件结构体积内的建筑组件。许多先前的研究已经编译技术发展水平设计参数的研究,混合特性,机器人技术,3 d打印元素强化策略。然而,没有文献综述使用混凝土三维印刷技术制造的结构元素和系统负载。如混凝土3 dp转向大规模的施工技术范式,有必要了解当前研究结构成员和关注未来的研究进一步改善。系统的文献回顾过程采用在这项研究中,搜索和分析相关的出版物在哪里回答一组定义良好的研究问题。评估结构的分类与结构相关的出版物基于问题/问题成员和最近开发的技术解决方案。它给出了一个整体的研究,还处于刚刚起步的阶段,未来和领域需要关注3 d打印技术在大规模的建设项目。
1介绍
混凝土三维印刷(3 dp)是一个新兴的数字建筑技术,可以实现几何复杂的设计。它最初是由(Khoshnevis et al ., 2012)和不断进化是一个杰出的技术在建筑业。这证明带来很多好处像增加定制,减少施工时间,劳动力和材料要求。维形状、轮廓制作和extrusion-based印刷常见技术在混凝土3 dp (帕金斯和Skitmore, 2015)。,extrusion-based具体印刷是最常用的技术,并研究在世界范围内呈几何倍数增长的数量(Buswell et al ., 2018)。
改进了的混合设计,数字实现,印刷参数具体3 dp通过许多研究。可用多种文献综述研究关注3 dp技术的不同方面。有回顾研究的一般实现建筑业拿出所需的总体改进的大规模实现(吴et al ., 2016;Shakor et al ., 2019 b;Siddika et al ., 2020)。其他评论研究了解数字规划方法3 dp建筑部件和过程(保利et al ., 2019)。回顾研究说明了常用的原材料,需要控制的关键因素,评估所需的测量方法新鲜和硬化混凝土的性质3 dp (马和王出版社,2018年)。回顾研究强调3 d打印材料在不同的发展需求,材料新鲜和硬化特性(陆et al ., 2019;保罗et al ., 2018;李et al ., 2020 b)。回顾研究还拿出总体进展和易性,力学性能,建筑方案设计(Zhang et al ., 2019)。进一步,全面研究不同的先进的技术用于制造3 d打印的模板(Jipa Dillenburger, 2022)。
虽然具体的3 d印刷(3 dp)已被证明是有益的在几个方面,构建结构承载元素仍然使用这种技术涉及到许多挑战。在很多实现中,只有建筑元素或压缩主要成员是由具体的3 d打印。未来的3 d打印技术采取了自由的建筑效益优势转化为大规模实现。但大规模实施这项技术需要的发展方法打印带张力和弯曲的结构元素。结构元素需要强化技术来增加他们的抗拉和抗弯承载力,不能很容易地引入传统的印刷工艺。有最近的研究强化的技术介绍和其他设计具体的3 d打印的结构元素。
但是,一个特别强调的全面审查所有与印刷相关的问题结构元素和方法发展至今目前下落不明。本研究将有助于确定需要解决的研究差距/问题的大规模实现结构的3 d打印元素。综述研究在印刷结构元素和执行系统和凸显了问题的执行结构元素使用混凝土3 dp方法。同时,extrusion-based混凝土3 dp给出主要集中在这项研究中,因为它是全世界最常用的技术。
2方法和文献综述的焦点
系统采用文献综述的方法在本研究涉及三个阶段,A计划,b . c编译和分析。在规划阶段,评审的目的是建立了制定精确的研究问题。编译阶段包括识别、筛选名单,包括研究论文。分析阶段包括严格检查所选论文来回答研究的问题。
在这项研究中,深入了研究意义包括3 d打印的结构承载成员。此外,不同的3 dp技术可在混凝土中,大多数研究集中在extrusion-based混凝土3 dp技术。因此,主要关注的是给extrusion-based混凝土3 dp的研究。此外,规划和编译阶段是缩小到两个研究问题。
指导这项研究的研究问题如下:
RQ1:挑战构建承载结构使用3 d打印技术
RQ2:技术已经开发和测试混凝土结构元素的3 d打印或改善其抗拉和抗弯强度
研究论文是通过编译的库斯高帕斯数据库,这是普遍采用的科学信息。系统的搜索过程包括识别关键字,进行关键词搜索并选择相关的论文,研究论文引用在每个选定的论文,和编译引用的出版物所选的论文。
编译文件的分析包括阅读文摘或整个论文,确定讨论的关键问题和分类内容。以下分类树了通过系统的文献检索(图1)。
图1。方法和文献综述的焦点。
此外,寻找出版物使用斯高帕斯的形式总结了文献网络使用VOSviewer软件,如图所示图2。从这个图中,重要的话题/字段需要深度评论中讨论3 d打印的结构成员可以了。网络也证明加固方法的主题,强度要求,拓扑优化、建模和粘结强度是一些关键主题/关键词,为本文需要解决。
图2。通过斯高帕斯因出版物所得文献网络搜索。
剩下的纸结构中出现的问题和技术图1。第三节总结了主要问题/问题与结构相关的成员。总结的问题/问题及其对3 dp元素的承载能力的影响进行了讨论在不同的标题,如所示图1。然后整体技术进步有关3 dp结构成员将在第四节中详细讨论。它给出了一个综合的概述在这个地区所有的技术开发。最后,一个关键的评估需要解决的主要问题未来的研究在第五节给出。
3与3 d打印相关问题结构成员
的主要挑战构建混凝土结构使用3 d印刷是印刷成员传授抗拉和抗弯强度。各种研究都集中在开发抗拉和抗弯强度成员通过合并成3 dp技术强化技术。但是除了抗拉强度要求,还有其他问题的大规模3 dcp结构成员。在接下来的小节讨论的主要问题。
3.1拉伸和弯曲应力
3.1.1钢筋与混凝土之间的粘结
插入钢筋混凝土内部或其他加固技术是最传统的方式生产结构承载元素。Bos et al。(2017)研究了直接夹带电缆作为钢筋3 dcp元素。高强度的失败行为电缆标本被发现是由于债券损失和混凝土之间的电缆。失败由于债券损失是高度不可预测的,因此,需要一个概念的正确理解。
的钢筋穿透,理解钢筋和混凝土之间的债券配置文件是很重要的(Marchment和Sanjayan (2020)。类似的焊接问题被发现在钢筋插入空心部分的印花元素在硬化状态(Aramburu et al ., 2022)。键是由砂浆钢筋和混凝土之间的印花元素。钢筋和混凝土之间的粘结强度损失在任何位置也可能触发失败在那些领域,最终影响印花元素的强度的能力。
3.1.2与其他形式的强化
3.1.2.1网,刺绳,U-nails
系统开发的(Marchment Sanjayan 2020 b)3 dp提供一种新奇的方式同时印刷和加强(使用钢丝网)的元素。仍然需要测试元素印刷使用的技术在更大的规模和弯曲的元素。还有一个需要开发一个系统最小化的搭接长度探索针强化网格的方法Hojati et al。(2022)发现带刺铁丝网的使用增强的键的强度,弯曲强度,并时刻承载能力与素混凝土相比元素,但保持平直度的铁丝网是具有挑战性的,它阻碍了这种强化方法的自动化水平。王et al。(2021)研究了u形钉作为钢筋混凝土的使用3 dp元素产生有利的结果。但是,提高机械性能匹配只有物质层面上替代强化,而不是结构水平。在大多数这些非常规的强化技术,强化是嵌入到打印完成后层每层增加印刷时间和减少自动化水平。
3.1.2.2纤维和纺织强化
吉哈德et al。(2020)证明放置和调整之间的纤维层增加了抗拉强度。纤维保存在一个特定的方向后,每层很难自动化为纤维的位置需要同步印刷过程达到相同级别的自动化和可靠性。纤维强化复合材料的选择是主观的特定情况下,可能会改变在不同案件。
碳纤维改善钢筋的形状和稳定的元素,但是他们的使用是有限的由于他们的性能在碱性和不同温度条件下(施耐德et al ., 2018)。同样,矿物浸渍碳纤维在混合和挑战需要更多的研究来探讨它的耐用性和鲁棒性(Mechtcherine et al ., 2020 a)。
大小不一的玻璃纤维作为增强技术在3 dcp (Hambach Volkmer, 2017;熊猫et al ., 2017 a;Shakor et al ., 2020;杨et al ., 2022 b)。但不足以消除钢筋强度增强。纤维的方向与加载方向机械测试期间有重大影响。同样,纺织品的影响强化添加层接口的强度要求证明了他们并不传授强度增强的印花元素(葛瑞斯et al ., 2016)。
3.2层间粘结强度
较低的层间粘结强度创建一个弱面没有强化和产生的各向异性行为的方向载荷变化(巴兹et al ., 2021)。层间粘结强度也会影响剪切、弯曲和抗压强度3 dp的元素。印刷周期时间显著影响层的粘结强度3 dcp,减少弯曲强度(Al-Qutaifi et al ., 2018)。Buswell et al。(2018)州,层间粘结强度的主要问题是冷关节的形成由于长周期的大几何元素的。虽然层间结合提高了使用钉子和螺丝(巴兹et al ., 2021;Perrot et al ., 2020),仍然有一个问题关于钉子和螺丝的腐蚀。步骤如维持低渗透,充分覆盖,使用粉煤灰等材料必须采取防止这种情况。同样,如果钉子或螺丝的粗糙度超过一个特定的限制,他们可能会破坏周围的层,导致额外的空间。
刘et al。(2022)研究了层间粘结在3 dcp使用再生粗骨料(RAC)。与RAC的比例的增加导致了样品之间的层间结合强度明显下降但仍大于键的强度通过使用相同的3 d打印砂浆胶结材料体系混合比率由于粘结面积的增加。
熊猫et al。(2019)指出,一个更高的屈服强度导致较弱的层间粘结强度由于气孔的形成在层间的接口和打印机头距离大于喷嘴直径也减少了粘结强度。层间粘结强度可以增强提供更好的超塑化剂的粘结界面区表面,减少毛孔,除了减少打印机头距离的影响。减少了超塑化剂的触变性,并允许更高的印刷速度更好的层间粘结强度(翁et al ., 2021)。但是增加强塑剂影响混凝土的流变学和需要主动监视。
Shakor et al。(2020)调查了玻璃纤维的影响纳入砂浆力学性能的铸型元素。结果显示抗压强度和抗弯强度的增强程度的108%和68%,分别。挤出机速度也显著影响印刷质量。玻璃纤维也作为一个夹层强化,从而导致inter-bond力量的元素。Shakor et al。(2017)研究混凝土混合物的属性设计的影响印刷质量使用六自由度机器人系统,发现混合属性和打印机挤出机速度决定印刷质量是至关重要的。12种不同的混合测试,只有三个人表现良好在抗压强度和挤压流测试作为流质量和建筑效益的基础。
3.3机械性能要求
由于材料性质的差异,在三层接口dcp元素往往充当故障飞机减少混凝土的结构性能。金et al。(2017)研究了断裂的能量层接口3 dcp元素和建议合适的桥接材料增加断裂能量,从而增加印花元素的结构完整性。使用修改后的模型压缩同一标准的理论(MCFT)理论,发现断裂能量在混凝土初凝时间减少,影响元素的整体行为。马金et al。(2019)开发可打印混凝土机械优势不同从8 MPa 100 MPa,但3 dpc仍然面临的问题用塑料干燥铸件由于高数量的水泥含量和低数量的粗骨料。加速器添加混合改善建筑效益也造成耐久性问题由于结晶盐(Lloret-Fritschi et al ., 2019)。
Falliano et al。(2020)比较新鲜的尺寸稳定性和力学性能的“3 d-printable轻质泡沫混凝土”(3 dp-lwfc)与传统轻质泡沫混凝土(C-LWFC)。3 dp-lwfc显示更好的尺寸稳定性,没有瞬时和延迟结算,和更好的抗压强度在同一密度相比C-LWFC与混合强度主要影响者,然而,有必要研究层间粘结等性能,塑料和干燥收缩裂缝。Le et al . (2012)考虑外部环境对收缩的影响3 dcp混合。干燥收缩被发现取决于固化条件在不同的环境中。安巴et al。(2010),Nerella et al。(2019)发现由于微分归因于水分分布在不同的时间间隔层的沉积,收缩、蠕变、应变弛豫效应,导致层间粘结强度降低。
王et al。(2020)发现陶粒的增加内容的最佳水平3 dp轻质空心混凝土元素降低衰退价值和增加渗透阻力和提高抗压强度。进一步的研究需要在其他力学性能和环境恶化等问题的受拉钢筋和集成元素。杨y . et al。(2022)发现的机械强度性能3 dp超高性能纤维增强混凝土(3 dp-uhpfrc)比模具铸出超高性能纤维增强混凝土(MC-UHPFRC)由于钢纤维的定向分布在3 dp标本。尽管抗压弹性模量是各向异性,拉伸弹性模量的变化是微不足道的。建筑效益方面的研究需要3对3 dcp d-uhpfrc和外部环境的影响因素。
3.3.1混合料配合比设计
开发和验证一个理论框架模拟层加载对应的屈服强度混合在一系列的实验室测试(Perrot et al ., 2016)。当设计一个混合3 dp,两个重要的因素是它的可泵性和建筑效益(泰et al ., 2019 b)。印刷层的夹层键的强度随时间的增加各层之间的差距。强度的降低是对数的第一个5分钟的差距,然后强度的损失是最小的(泰et al ., 2019 b)。添加粉煤灰混凝土混合的混合95%和5%基于粉煤灰地质聚合物或偏高岭土发现混合的抗压强度提高20% (Ziejewska et al ., 2022)。但是演员混凝土元素显示,40%抗压强度高于印刷元素。
Alkali-activated材料(AAM)用于3 dcp替补胶结绑定,以减少总体有限公司2排放(Amran et al ., 2022)。但各个领域需要研究提高AAM-based的3 d印刷在更大程度上。Mechtcherine et al。(2019)试图利用3 dp使用粗骨料的优点。在建筑工地的材料容易被用来提高适应能力。拉胡尔和桑(2020)在分析light-expanded粘土总量(LECA)的印刷适性。的成本昂贵,LECA将影响3 dp元素和长期耐用性,以及外部环境的影响3 dcp元素需要研究。冲et al。(2017)研究了石灰石粗骨料的可能包含在一个3 dp混合使用细骨料:粗骨料的比例是1:2和I / II型硅酸盐水泥。结果表明,粗骨料可以包含在一个3 dp混合,但交付系统和优化组合添加剂等混合需要设计。
Şahin和Mardani-Aghabaglou (2022)强调的重要性混合设计印刷适性性能和3 dcp的流变特性。Sulfoaluminate发现水泥诱导快速硬化、高强度、低收缩。试验结果和粘度改性剂(VMA)增加的建筑效益属性组合。添加回收废物、废料和geo-polymers显著影响可持续发展。
Izadgoshasb et al。(2021)开发了一个模型结合多目标蚱蜢优化算法(MOGOA)和人工神经网络(ANN), ANNMOGOA,预测3 dp混凝土的抗压强度。混合比例和新鲜混凝土的属性作为输入ANNMOGOA。单层模型预测抗压强度被发现。虽然这项研究是小说,有一些缺陷如需要包括材料的类型,气候条件,温度,湿度,得到一个更现实的预测模型。
3.4印刷过剩和复杂的几何图形
斯特拉诺et al . (2013)尝试优化支持结构优化构建取向和细胞结构来确定关键的地方更健壮的支持是必需的。算法使用隐式数学3 d功能优化和导致桁架部分节省材料45%。悬臂元素也印刷侧,然后旋转为他们的用途(Vanek et al ., 2014)。一些研究表明,悬臂部分的倾向应该是45°(郭et al ., 2018;斯特拉诺et al ., 2013),一些人认为它是依赖于印刷的属性特性(盖纳和客人,2016)。预制的优化支持结构用于优化材料的使用和表达优化复杂的几何元素(安东et al ., 2020)。拓扑优化的支持设计和它的需求是由(Vanek et al ., 2014)优化材料使用悬臂而有效的支持。Bi et al。(2022)和Langelaar (2016)提出了拓扑优化配方与layer-wise过滤去除猥亵的几何图形生成完全且优化设计有助于减少需要支持结构但限制设计的自由。
3 dcp悬臂曲面,提出了一个挑战,因为的几何约束和表面质量。老挝et al。(2021)发达nozzle-geometry动态控制器设置计数器的不规则表面光洁度观察在正常3 dp fixed-geometry喷嘴。额外的细节层几何来自厚切片的三维模型并用于根据需要调整喷嘴直径,减少表面不规则像楼梯的效果。
Shakor et al。(2019)指出印刷矩形层更倾向于维持层负载比球形或圆形层和提高印刷层的外表面质量。麦基et al。(2020)用喷嘴配备了可调侧板做最后的印刷层。然而,这不是可行的打印元素自交叉路径。
麦基et al。(2020)使用了一种优化的混合水泥和粉煤灰和悬臂可以打印到17.5°的角度只由于紧张压力的上缘印刷样品。泰et al . (2019)发现最大长度为10毫米的差距可以被允许在底部一层一层不会导致在随后的暴跌。支持结构层印有间歇10毫米的差距来支持的主要结构和这些可能容易雕刻出来。这种方法只适用于小开口,因为它会产生巨大的浪费在大开口的情况下,因此,更多的工作需要做在这个方向,使它成为一个可行的解决方案。
3.5数值模拟和拓扑优化
Mengesha et al。(2023)实施了数值模拟来理解3 dp产品工艺参数之间的关系,避免试错的方法。(开发的数值模型狼et al ., 2018)来确定3 dcp样本显示的早期力学性能实验结果定性的一种很有前途的方法。缺乏定量的可靠性,可以解释为高估的属性的混凝土压实后印刷(属性比混凝土尚未打印),也由于无法将几何缺陷在数值模型中,从而导致离心率和轴向负载测试的早期失效。
钱德拉et al。(2020)使用有限元软件开发了一个分析模型来估计3 dp RC梁的力学行为。最后分析模型准确地预测最大3 dp RC梁的抗弯强度。但它不是精确地寻找初始刚度和几个当地失败,像一个节点点剪切破坏。
钢纤维混凝土的数值模型(SRFC)由(阮et al ., 2022)遵守Eurocodes,但是,需要开发一个模型来捕获的分层模式3 d打印使用数值模型进行结构分析更可靠。
Vantyghem et al。(2020)开发结构有效3 dp结构元素与最低材料浪费,但复杂的设计形状介绍钢筋的难度。此外,它在印刷过程中可能还需要足够的支持结构和安装。
布兰科特et al . (2013)试图利用是通过自由的双向渐进结构优化设计(BESO)。Latifi Rostami et al。(2022)BESO拓扑优化方法进行混合additive-subtractive制造业与加法和减法制造约束(对比)。使我的自营拓扑优化结构(Bi et al ., 2020)采用BESO框架layer-wise几何自营约束。第一个算法,考虑打印具体的正交的性质和实际限制带来的是过程,是由(Martens et al ., 2018)。该算法提供了一个初始步骤结构稳定、可打印,使用修改后的固体和优化结构各向同性材料罚分(笨人)方法。Langelaar (2017)提出了一个过滤器,可以用于density-based拓扑优化技术只允许打印设计。杨et al。(2018)之后,一个拓扑优化3 dp聚合物材料的实验研究,得出的结论是,行为必须考虑3 dp材料更好的优化结果。董力耘(2019)和施密特et al。(2020)讨论了拓扑优化3 dp纤维复合结构。Carstensen (2020)考虑喷嘴大小挤压式过程作为拓扑优化的约束条件。喷嘴的大小必须包括在设计阶段或后处理阶段。Fiuk和Mrzygłod (2020)提出了一种有效的拓扑优化技术称为常数表面标准算法(综援),与印刷方向和压力约束。
3.6大型印刷
吴et al。(2016)表明3 dp受限于缺乏大规模实施,大规模定制,LCA,建筑信息模型的发展。作者所指的重要性在大规模实现打印机的大小限制元素的最大大小,可以打印出来。如果打印机很小,小段必须打印,运到现场,和组装完成大规模的结构。尽管大规模的结构构造使用段的组装方法(Winsun构建一个两层高的别墅,一栋五层楼的公寓在中国),发现了一些限制。第一个这样的限制是特殊的加入方法的要求,确保气密性的段。尽管使用了玻璃纤维,脆性破坏时观察到的印花元素被用于承载结构。另一个限制规定的手动安装管道和电气设备。
外部强化系统介绍了(Asprone et al ., 2018 a),在那里他们打印个人小段,并使用外部强化系统加入了他们的行列。在弯曲测试,等问题的程度整体装配式梁的延性,外部强化系统退化由于环境因素,钢筋埋置,抗火能力。
丁et al。(2014)指出材料流变学影响印刷层的键和设置需要设计和优化在大规模印刷达到完美的结果。BIM模型处理效率等参数和打印机喷嘴大小和轴向运动精度是重要的因素在打印系统的升级。发展与进步的轻量级打印机组件附件和超然,填料层优化算法来减少印刷时间,考虑多喷嘴和多材料印刷可以添加大型印刷系统的多功能性。
海涅et al。(2019)开发了一个cable-driven 3 dcp系统挤出机在哪里举行的顶部结构的帮助下一个起重机和在轴向方向的控制电缆张力站在地上。这两种设计superstructure-an角度的三脚架和垂直三脚架实现目标偏差值。的成本和安装时间一个一个比垂直的角度。有许多事情需要改进,比如经济,网站的限制,物流,等,实现一个高效的系统。
Tiryaki et al。(2019)提出了一种新颖的印刷方法而移动3 dcp系统组成的机械臂安装在移动基地作为一个比前一个系统,移动机器人只能打印在静止的条件下(Zhang et al ., 2018)。系统的开发需要改进系统的运动,定位和运动控制适当的沉积。刘振前et al . (2022)演示了一个系统打印全封闭结构没有太多外部支持。可能使用intra-planetary文明探索这样一个系统,但它需要改善印刷复杂的几何图形。
4技术与混凝土3 dp的构件
前一节关注的问题3 d印刷结构元素。本节将重点放在技术开发的3 d打印技术对结构元素。
4.1钢筋强度增强的技术
混凝土的一个挑战3 d印刷(3 dcp)面临整合强化而印刷的元素。大量研究整合强化3 dcp,但一个健壮的和有效的解决方案尚未提出(Spangenberg et al ., 2022)。本节将讨论这些研究和技术开发集成3 dcp的增援部队。
尽管数字制造混凝土(具体3 dp)提供了许多优势,没有强化策略,确保结构属性。的研究(吉哈德et al ., 2021)关注这个问题进行一个实验调查3 d印刷元素和不同的强化策略。不同强化策略研究层间抗剪钢筋,对齐端钩纤维和钢电缆之间的层。然后,粘结后和传统保税被动加固是纵向钢筋的探索。本研究开发的后张梁组成的层间剪力钢筋插入在印刷过程中,纵向钢筋post-installed印刷空间。结构评估的情况,没有夹层抗剪钢筋。结构评估使用四点弯曲测试将纤维层间抗剪钢筋。机器人光纤位置料斗纤维后直接打印每一层的地方。测试的结果表明,无粘结后张梁最脆弱的方式失败。同时,发现添加纤维层之间增加了极限荷载在一定程度上由于更好的微观裂纹的控制。然而,粘结后张强化显示多个激活层间抗剪钢筋弯曲和剪切裂缝。 Cable reinforcement is also explored in this study and was found to be more efficient at failure than fiber reinforcement.
审查的研究(曹et al ., 2022发现四个主要增强3 d打印技术元素。他们混合强化材料内部结构,各层之间插入加固技术,将加强材料层之间,和嵌入加强材料层之间的细丝。这些钢筋主要技术可以通过使用不同的材料,如使用的纤维结构,层间插入钢筋。一些强化的策略将在以下部分中讨论。
以下4.4.1传统钢筋
传统加固方法已优化,以适应数字制造技术。然而,它仍然提出了严厉的挑战,建立一个适合3 d打印技术的强化策略。Asprone et al。(2018 b)指出,使用现有的加固策略在3 d打印技术等新技术将限制新技术的性能和经济。可持续性的研究表明重点分析旧的强化技术对新的建筑技术,如3 d印刷和新的加固方法基于结构的发展要求和所使用的数字技术。一些研究试图整合传统钢筋3 dcp本节中提到。
2018年,伊利诺州香槟市,美国,示威是由工程师研发中心建筑工程研究实验室(erdc - cerl) (克里奇et al ., 2019)。512英尺2加法构造钢筋混凝土建筑印刷是连续完成的。这种方法采用了两者优点的3 d打印(自由的建筑和减少劳动)和传统钢筋(抗拉强度、承载能力的提高)。但没有提到建筑的结构性能的研究。一个实验研究是由(巴兹et al ., 2020)”来形容债券之间的质量3 dpc和钢钢筋在不同印刷条件下使用拉拔力测试。同时,印刷方向(平行或垂直的)对钢筋被认为,这有助于证明高触变性材料并不影响钢筋与混凝土之间的债券。拔出试验的结果对传统的铸型元素,平行于栏打印元素和垂直于栏打印元素,显示打印元素的键的强度并不比传统铸型元素由于外部振动给后者。不过,印花元素中所开发的债券是令人满意的。减少可以使用适当的安全因素频传。
科恩和卡尔森(2020)工作在一个独特的印刷方式与传统钢筋代替传统的线性分层方法印刷,使用pointillistic基于时间的沉积(PTBD),发现的(科恩,2019)。一个系统是在这项研究中开发的混凝土钢筋笼之间的挤压点垂直站立,然后过了一段时间,这是通过钢筋笼压流出。这演示了如何一个笼子可以用作模板和钢筋。为研究相当近,它需要发展在许多领域:钢筋笼)覆盖的角落,b)发展(a)后,需要测试的结构性能列。c)审美外观,d)与其他建筑元素(如梁、板,和地球,e)的比例泵,使其能够印刷大骨料的结构。
4.1.2钢电缆
除了传统的钢筋与钢筋笼,钢或micro-cables可用于3 d打印的元素。在3 d印刷过程中,钢电缆同时嵌入到印刷层,随着印刷层使用强化夹带设备(红色)(Bos et al ., 2017 a)。研究直接夹带的电缆钢筋混凝土三维打印元素是由研究人员(Bos et al ., 2017 b)。开发一个设备组成的一个线轴servo-driven电动机直接插入电缆强化混合离开之前打印喷嘴。四点弯曲试验是验证提高延性。三个不同的电缆类型被用来创建标本抗拉强度为0.5 kN, 1.0 kN, 2.0 kN。测试结果显示,所有的样品展示一个线性弹性行为,直到第一个混凝土发生裂缝。两种类型的故障模式。在低强度的情况下电缆,电缆的失败是标本失败的主要原因。在较高强度的电缆,失败是由于债券的损失之间的电缆和混凝土混合。本研究证明的重要性之间的粘结强度钢电缆和印刷。
4.1.3网和铁丝网
黑客和劳尔(2014)提出了一种数字制造建筑钢筋网格法和模板同时打印。这由一个机器人印刷网,最初用作模板,然后一旦混凝土倒在网格,它将流和覆盖整个网格,然后网将开始作为强化。然而,这种方法还有待检验,规模更大。一个重叠网钢筋技术探索了(Marchment Sanjayan 2020 b)。在这项研究中,镀锌钢加固网是用来创建一个连续的网和喷嘴设计,这有助于在进步奠定单一挤压的强化层。一堵墙部分印刷使用的设置和使用三点弯曲试验测试。结果表明,钢首先发生屈服而不是失败的债券之间的钢筋和水泥的矩阵。因此,强化之间的喷嘴可以帮助创造良好的粘结强度和印刷材料。同时,计算观察曲目前-290%的增长170%。
不同层钢筋网用于研究(刘et al ., 2021)。的各层钢丝网(SWM)被添加到混凝土三维打印元素,和不同的破坏性和非破坏性方法用来提高力学性能。发现高峰负荷增加了59.2% - -173.3%,和偏转能力增加了11倍以上无钢筋的问题。
Hojati et al。(2022)探索使用带刺铁丝网和栅栏线thorn-like预测作为3 d打印的钢筋混凝土元素增加抗拉和抗弯能力。刺绳是手动放置在3 d打印的细丝,和标本进行测试得到所需结果。然后接受机械测试标本像一个四点弯曲试验,弯曲强度测试和抗拔试验了解元素的机械性能显著增加。目前产能和倒钩wire-placed具体元素的键的强度增加了363%和71%,分别与3 d打印的混凝土。抗拔强度测试在键的强度会增加相当大的带刺铁丝网由于突起证明它是强大到足以防止滑动。目前容量和最大挠度也发现纯混凝土元素的4.63和13.01倍。
4.1.4纤维和纺织强化
纤维强化复合材料被用于建筑行业主要是为了减少开裂问题,但最近调查等应用程序为3 d打印元素增援。纤维增强混凝土3 dp测试与不同的纤维材料,和一些研究在这一节中讨论。
实验研究表明,玄武岩和玻璃没有任何重大影响抗压强度和弹性模量(Kizilkanat et al ., 2015)。相比之下,抗拉和抗弯强度增加,直到一个最佳剂量,并没有观察到变化。同时比较两种纤维的抗裂性能和延性,玄武岩纤维表现比玻璃纤维。虽然一些抗拉强度增加,使用这些纤维为强化可能是不够的3 d具体的印刷过程。
添加玻璃、玄武岩、或碳纤维混凝土3 dp抗弯强度增加到30 MPa (Hambach Volkmer, 2017)。它也发现印刷的纤维沿方向排列;因此,构建路径优化是最大的弯曲强度。但增加钢筋提高抗弯强度是很重要的。
玻璃纤维(GF)的不同长度(3毫米,6毫米,8毫米)不同百分比从0.25%到1%用作钢筋混凝土混合印刷(熊猫et al ., 2017 a)。实验结果显示改进的属性与玻璃纤维1%印刷样品。属性是依赖于方向和玻璃纤维的取向。
同样,添加碎玻璃纤维长度的影响6毫米的具体调查3 dp元素(Shakor et al ., 2020)。研究进行了评估沉积速度的变化对开发混合砂浆。但这项研究的主要结果是1%(按重量的胶结材料)短玻璃纤维加入抗压强度提高了108%,弯曲强度68%。
结合涉及3 dp轻量级设计胶结复合材料(LWECCs)改善混凝土的各个方面研究3 dp (太阳et al ., 2021;杨r . et al ., 2022)。本研究介绍了中空玻璃微球(高梯度磁分离)和聚乙烯醇(PVA)纤维提高强度的能力。当纤维的方向平行于加载方向在测试过程中,发现无侧限抗压强度高。但有趣的是,如果纤维的方向是垂直于加载方向,它导致增加挠曲强度和韧性行为增加了40%。玻璃纤维的概念调整印刷方向平行恢复由研究x射线计算机断层扫描(XCT) (杨r . et al ., 2022)。XCT研究跟踪水泥和玻璃纤维微粒的运动在挤压成型胶结复合材料。发现矩阵的玻璃纤维细丝大多是平行于印刷方向保持一致。
碳纤维拉伸强度高,比重低,不像传统那样被腐蚀钢铁增援。它允许建设的薄结构承载能力和耐久性的前提下,减少生态足迹,导致建设可持续且经济有效的(Brameshuber 2006;Curbach et al ., 2007;Scholzen et al ., 2012;Curbach 2013)。
聚合物基碳纤维的加固技术,可以在广泛的温度和已被证明提供良好的机械性能(施耐德et al ., 2018)。它没有腐蚀问题和具有良好的粘结性能,提供了一个伟大的替代传统的钢铁和聚合物增援。Mechtcherine et al。(2020 b)在自动化生产过程中使用MCF复合材料加固。这项研究提供了一个方向完全由自动化自动化3 dcp加固过程,结合3 dcp,完全可以帮助自动化建设活动。
Mineral-impregnated碳纤维(MCF),由于其高机械性能的优点,耐久性,和能力处理和形状在其新鲜状态,用作加固的研究(Mechtcherine et al ., 2020 a)。三点测试结果表明,该加固印花元素显示更高的影响增强和可变形性的3 d打印。连续碳纤维(CCF)用作钢筋网后浸渍用粒度的矿物质(Mechtcherine et al ., 2019)。所指出的(Scheurer et al ., 2020),这种方法的缺点是,强化只能放置在印刷的方向。
加强纺织品通常提供更高的比强度和耐蚀性,可以减少钢筋覆盖,从而有助于创建薄架构元素(葛瑞斯et al ., 2016)。然而,机械强度的增加并不显著高与其他纤维增强技术。
3 d打印的聚合物和金属纤维增强与不同表面形貌和粗糙度是用来加强水泥砂浆(淀粉et al ., 2016)。发现与钛合金纤维增强砂浆标本展出了承载力两倍标本与photo-polymeric纤维增强。超高性能混凝土的使用(UHPC)钢纤维具有一个有前途的潜在的提高混凝土的抗弯强度(拉森Thorstensen, 2020)。UHPC用于3 d印刷板原型分析爆炸UHPC 3 dp混凝土电阻(马et al ., 2022)。3 dp UHPC与钢纤维显示爆炸抵抗一样好钢筋钢筋UHPC钢铁需求降低了重量。
吉哈德et al。(2020)探讨了雾沫混凝土纤维技术的3 d印刷过程。与传统建筑、纤维与短3 d印刷需要重新设计和昂贵的纤维通过印刷工艺的喷嘴泵。本研究探讨了机械性能的建筑元素的变化当纤维放在夹层表面。纤维放置在一个控制量和方向,然后后拉钢筋在垂直方向为主要强化。结果表明,校准之间的纤维层导致更高的抗拉强度。主要的强化,粘结后钢筋被证明是有前途的,但脆性破坏无法避免由于局部加载行为。
4.1.5工程胶结复合材料
Self-reinforced胶结复合材料可以作为替代钢筋要求3 d打印的结构。的研究(Soltan的和李,2018年)介绍了一个工程胶结复合(ECC)的短聚合物纤维增加拉伸应变硬化行为。研究还考察了几个成分原料的新鲜和易性的影响。纤维使用聚乙烯醇(PVA)纤维减少到12毫米。它也证明了ECC的健壮的拉伸应变强化行为构成。成分的抗压强度得到了迅速30 MPa 6天。同时,提出了混合的抗拉强度达到6 MPa。ECC预计将达到没有钢筋结构完整性和耐久性。3 dp-ecc合适的印刷适性和建筑效益特征显示了相同的拉伸延性铸ECC (李诉c . et al ., 2020)。
一种新颖的混合设计ECC与超高分子量聚乙烯(PE)是发达国家和检查(朱et al ., 2021)。四点弯曲试验结果表明,印刷ECC梁提出了延性破坏模式以及加工硬化行为。打印不同的光束和测试的实验研究使用不同工具路径,加载方向,和叠加类型。也发现,3 d印刷ECC梁的力学性能取决于几何配置指示打印路径的重要性3 d印刷元素。的打印路径结构3 dp元素需要配置为获得最大的力学性能。由于共犯的增援,印刷ECC梁显示低于RC梁的刚度和挠度。因此,本研究建议增加通过材料弹性模量优化或提供加固要求减少偏差。
4.1.6土层加固
层间钢筋增强元素的层间强度和整体实力。在一项研究(Geneidy et al ., 2020)、“C”形主食3 d印刷使用聚乳酸(PLA)丝被用作夹层强化。打印头被修改以适应主要喷射器,部署了斯台普斯在不同连锁方向进入印刷层后打印头。这种方法提供层间强化显示一个小元素的挠曲强度的改善。
另一种形式的“过程”加固方法在3 d印刷是由(Marchment Sanjayan, 2020 a)。它利用一种加固技术在变形钢筋渗透到新印制的3 d印刷层。债券沿着不同的穿透深度的差异变形或干扰水平的混凝土层由于经历渗透酒吧。在多层混凝土打印的情况下,多个酒吧渗透一个高于其他足够的搭接长度有一个更好的债券。拉拔力测试执行在不同渗透长度并与渗透砂床长度样本。从债券测试,发现上面的穿透90毫米造成重大损失。
提出的另一个基础加固技术(Aramburu et al ., 2022)。被动钢筋插入空心通道内的3 d打印的砂浆几何学。然后钢筋之间的差距和中空通道充满了水泥浆达到足够的粘结强度。机械的结合强度进行了测试,发现剪切应力范围内的16.75 MPa和18 MPa。发现在测试,没有标本失败由于脱胶充填砂浆和3 d印刷气缸也不是因为脱胶的气缸外的混凝土倒。因此,它表明钢筋之间的粘结强度,充填灌浆材料。
引入一种新型加固技术(哈斯和Bos, 2020)使用基于螺丝加固。与酒吧被推入3 d印刷元素,这是一种翻译活动,这种方法涉及使用的螺钉结合旋转与平移运动。它避免了空洞的形成在机械锁,实现很好的债券。它考虑到打印的运动仍然是高度可塑的一段时间,甚至在层的沉积,插入螺丝。最后,三点弯曲测试打印样本完成证明力学性能的增强。拔出试验也表明打印失败的砂浆进行了拉拔力失败,验证这种方法的可行性。
在一些研究中,螺丝和指甲被视为有潜力提高层间粘结,因此限制较低的层间结合所面临的问题。Perrot et al。(2020)提出了一个用钢钉的方法通过改善多层粘合层沉积。是表明,层间结合可以改善通过使用指甲如果选择合适的取向和指甲的表面有足够的粗糙度和迫击炮。进一步的(巴兹et al ., 2021),做了一个实验,加强连续层使用螺丝和指甲,然后没有做任何研究直到和四点弯曲试验结果建议使用指甲而不是螺丝。
王et al。(2021)研究添加一个新的u形钉在印刷过程中混凝土。分析的机械过程改进可视化的遮蔽作用和销行动U-nails应用。这是在研究中发现,混凝土的极限抗拉强度和抗剪强度增加了145%和220%,分别与U-nails。这项研究还建议U-nails灯丝2 - 2.5毫米厚度的优化改善层间强度。
在4.1节讨论的研究总结了钢筋表1。它主要是分类基于印刷的阶段,介绍了加固。它还分类模式的基础上强化加法和另外的方向。垂直指的是强化添加垂直于印刷方向和主要层。钢筋水平方向上除了指的强化以及印刷的方向。总的来说,发现添加强化元素直接混合使用纤维几乎不增加混凝土的强度3 dp元素。强化元素的添加完成后打印主要指的是除了钢筋通过渗透/插入印刷层的新鲜状态或嵌入的钢筋空心部分/空白的印刷层硬化状态。插入钢筋硬化状态主要包括印刷小个体部分,然后组装。加强元素和混凝土之间的粘结是由结合了代理,主要是迫击炮的渣滓。印刷后的新鲜状态过程中,焊接是由于强化元素的插入了。 The primary concern here is the damage caused to the printed layers. Inserting reinforcing elements during the printing process improves the tensile strength of 3DP elements. Still, it adds complexity to the printing process by adding the complexity of the placement of reinforcing elements and the time associated with it.
表1。研究了在不同的加固技术在混凝土3 dp。
4.2拓扑优化设计和效率
一个设计工具也一直在研究开发(米特尼克拿出et al ., 2017),这有助于资源制造的3 d-graded结构房屋构件。材料数据库存储所有的材料特性数据,这个数据是用来帮助在材料的优化。这项研究得出结论,建议多材料打印头的发展使混凝土的其他资源分级建筑元素。
3 d打印技术为设计人员提供了更多的设计自由,执行。拓扑优化()有效地利用设计自由得到最优形状的工程结构。Vantyghem et al。(2019)提出了一个研究,以确定最佳的印刷路径和强化的理想位置,纤维增强混凝土元素的优化设计,减少热透射率通过具体组件,而整体材料的使用是受限制的。
一个工作状3 dp (熊et al ., 2020)提出了一种基于双向渐进结构优化的结构连接控制方法解决问题消除粘结粉末的空隙通过生成隧道连接空间与外部界限。尽管有许多研究在3 dcp元素、钢筋3 dcp梁的力学行为是不清楚相比,传统的钢筋混凝土梁的力学行为。作者(钱德拉et al ., 2020)提出一个使用有限元软件分析模型来估计3 dp RC梁的力学行为。本研究的分析模型准确地预测最大3 dp RC梁的抗弯强度。但是最初的模型被发现在预测初始刚度的限制。这些限制是由(钱德拉et al ., 2021)。改进的分析模型是在这项研究中,开发当地的预测失败被准确地识别。进一步增强的分析模型可以扩展到分析预制梁(PC)。
有限元(FE)研究还用于模型的其他常见故障机制(如由于弹性屈曲或失败由于塑料崩溃3 dcp (nguyen van et al ., 2022)。发现开发了有限元模型准确预测3 dp的变形和失效模式。有限元模型也受到其他敏感性和参数分析发现印刷速度等参数的影响,建筑效益,挤压宽度。
4.3全面系统
4.3.1大规模3 d打印
3 dp应用于大型结构,混合时间的和易性的进化需要精确建模。马和王(2018)强调测量新鲜和硬化特性的重要性来控制印刷组合的流动性,可挤压性,建筑效益,设置时间、力学性能、收缩性能。最近,许多技术开发转让3 dcp从实验室到大规模的建设。实验室3 dcp相反,大规模的单片3 dcp需要更复杂的程序,和各种挑战和潜在的风险必须考虑(黑客et al ., 2020;汗et al ., 2020;Souza et al ., 2020)。
4.3.1.1移动3 d打印机
CONPrint3D技术开发了(Mechtcherine et al ., 2019)作为替代手工建造的砌体墙。这是一个车载移动系统扩展的机械手臂。这是一个使用粗骨料混合印刷解决方案,就像传统的混凝土。不过,研究提高位置精度而印刷完成,可能是因为长期操纵武器在印刷过程中得到更大的变形。同时,研究在未来可以做关于钢筋的集成到流程中,安全问题,恶劣的天气条件,等等。
4.3.1.2机械臂3 d打印机
在这种方法中,印刷使用多轴机械手臂帮助导航打印喷嘴。基廷et al。(2017)开发了一种复合臂三维打印系统,材料储存和运输能力,系统可以移动前后车轮上的印刷。但是系统达到准确点的可以打印是有限的。也,只有细粒度的材料可以使用这种特殊的打印系统。印刷系统与移动团队是由(Zhang et al ., 2018),这有助于使有限的大规模印刷过程可伸缩运动的机器人。尽管这项研究提供了一种独特的方式,优化研究还需要消除之间的冲突在机器人和机器人和印刷结构。
Naboni et al。(2022)提出一个environment-aware 3 dcp系统采用深度相机在机器人系统收集几何信息的形式。收集到的信息和environment-aware生成设计算法用于计划制造的刀具轨迹的元素。印刷不均匀床,障碍在印刷环境中,从点云等检测,生成三维空间设计路径曲线是根据检测参数调整。结果显示良好printing-environment意识这样一个系统及其影响印刷工艺,可以有效地控制印刷过程中产生巨大的差异在大规模印刷系统。
4.3.1.3 Gantry-based 3 d打印机
黄蜂的公司开发了一种delta-style 3 d打印机,并生成组件的最大长度是3米。有一个明确的这种方法的缺点:每个现场建筑组装和拆卸。同济大学和中国绿色印刷公司试图限制的缺点黄蜂3 d打印机通过龙门系统线性移动on rails和打印10 m的极限结构的高度。打印机使用最多15毫米总大小或印刷在一个现场建设项目(霁et al ., 2019)。
4.3.2组装段
在这个3 dcp方法,总成现场预制,然后组装或安装现场。人行桥建于2016年,”帕克·德·卡斯提拉人行桥,”马德里。8 u形段印刷使用extrusion-based 3 dcp (de la款et al ., 2022)。另一个自行车建造的桥是埃因霍温科技大学(图/ e)使用“设计通过测试”的方法(盔的一种et al ., 2018在荷兰)。意识形态是在离线设备测试每一步执行原来的网站。这有助于减轻挑战和危险。这座桥是升起的位置,现场测试是由加载桥的总负载57 kN之前打开它为公共使用。
Assaad et al。(2020)致力于开发的模块化方法生产3 dp梁和柱成员使用传统的钢筋。在这项研究中,cubic-shaped结构是印着四个洞在角落里插入纵向钢筋和灌浆。结构梁是由装配不同的模块,使用高强度环氧树脂加入他们。3 d打印元素的弯矩能力比传统现浇混凝土梁的低22%。减少的时刻可以归因于能力模块化设计增援,转移压力,时刻变化显著的传统施工方法。这意味着,钢筋的几何和取向显著影响混凝土的结构属性3 dp元素。
Asprone et al。(2018)研究了一种新颖的方法制造一个钢筋混凝土结构使用单个元素3 dp元素。他们开发了一种机制,个人部分混凝土的3 d元素是印刷,并使用外部强化系统。结合,发达梁作为一个单元的弯曲载荷。在初始测试,开发了梁的抗弯刚度结果比较与传统的钢筋混凝土梁。但是印花元素在本地连接的失败降低了整体的梁的非线性弯曲载荷能力。
4.3.3 3 d打印模板列和楼梯
3 dp的模板是最常用的制造战略结构列。在这种方法中,模板打印每列的使用不同的材料所需的形状。强化是手动保存,或者使用分散的加固技术,也包括手工铸造。
汉堡、Lloret-Fritschi Taha, et al。(2020)提出了一种新颖的方法来结合FDM-3DP模板,同时铸造的快硬,set-on-demand混凝土,“蛋壳的过程。“这使薄的印刷模板使用聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯乙二醇(PET-G)。虽然它显示了打印的列好潜在的复杂的几何形状,需要研究等领域的整合强化而印刷和找到一个几何之间的权衡和加强放置方法。
安东et al。(2021)引入了一个新的3 dcp预制平台自定义列。研究合并计算设计和3 dcp和提出了一个评价方法的几何复杂性。永久性模板是预制在复杂的几何形状和列是手动。然而,仍然有几点需要解决,最后的测试结构属性列,有裂缝的形成由于冻融循环在列的特定部分,因此需要研究消除效果。
永久3 dcp模板结合3 dcp与传统施工方法(王et al ., 2022)。Khoshnevis et al。(2006)做了一个研究使用等高线垂直混凝土模板的制作工艺(CC)手动插入手动层和元素之间的关系。它可以显著减少浪费和劳动力。需要研究的方向3 d打印模板结构的结构性能,取决于模板和后浇混凝土之间的协调。王et al。(2022)做了一个研究得到力学性能之间的关系在接口模板和浇筑混凝土的最终产品,3 d打印模板、粗糙度和之间的时间差距具体的印刷模板和铸造。最优粗糙度和印刷的模板之间的时间差距,铸造。一个尝试是由(卡茨和Skoratko, 2022),3 d印刷塑料模板钢纤维增强混凝土柱。不同的群体都是基于模板的形状。实验和分析证明了文章列是一个很好的替代传统混凝土铸件。此外,这给了极大的灵活性在铸造列各种形状(分形、五角大楼等)。
3 d打印技术可以帮助开发新的和复杂的几何形状的三维打印模板不可能早些时候在传统的模板。这种结构非常优化,提高楼梯结构的功能方面。的一项研究(Jipa et al ., 2019)包括印刷两个原型楼梯结构评估潜在的3 d印刷制作的楼梯。的一些挑战包括钢筋的问题,这是难以使乘火车在一个复杂的几何形状、混凝土的自由,从而降低随着几何变得复杂,薄壁,制造时间,整体几何限制。
4.4喷射混凝土为3 d打印技术
混凝土挤压是最常用的3 d打印技术。它有各种优点和自动化建设过程。然而,它面临着挑战像夹层粘结、抗拉钢筋集成、表结构过剩,最终表面(黑客和Kloft, 2020)。为了克服这些限制,研究正在进行执行具体的印刷使用喷射混凝土技术。喷射混凝土是一种方法,混凝土与压力喷洒在增援。这种技术被用于建筑很长一段时间(Heidarnezhad, 2022张)。因此,记住所面临的挑战的挤压法和喷射混凝土的潜力来克服这些挑战(黑客和Kloft, 2020),做了一个实验,3 d打印一个细长钢筋墙元素使用喷射混凝土技术。尽管研究仍需要克服一些限制,本研究证明另一个3 d印刷的和可行的方法,特别是结构元素,extrusion-based 3 d印刷更为普遍。另一项研究是由(Kloft et al ., 2020)曾对开发一个系统打印钢筋列。研究成功了一种集成传统钢筋混凝土三维印刷过程。由于在新概念3 d印刷的面积,各领域需要研究,喜欢,喷射混凝土的结构性能分析3 dcp元素,克服位置精度障碍,和高表面粗糙度。
4.5数值模拟和分析
解决相关问题的计算建模强化集成到3 d打印(Spangenberg et al ., 2022),建立了一个计算流体动力学模型,可以帮助刺激钢筋周围混凝土的流,这个模型被实验验证,数值和实验结果相对较好。
Mengesha et al。(2023)开发了一种使用layer-wise有限元数值模型和pseudo-density的方法。这种方法试图将3 dcp的分层特性,材料特性的变化由于时间依赖性的固化过程被捕。模型可以可靠地估计在混凝土墙的失效机制。一个数值模型是由(Asprone et al ., 2018 a)来预测3 dp RC梁的挠曲响应。RC梁是由打印个人3 d打印的元素加入到一起使用外部增援。数值模型的研究帮助解释了影响混凝土关节和外部钢筋部分,结论需要进一步深入研究实际实现的网站。
5的结论
本文分组基于问题解决的出版物和3 d打印技术实现结构元素的过程。从部分3和4,发现的主要问题涉及结构承载成员讨论了表2。
表2。主要需要解决的问题,3 d打印的结构成员。
表2给出了区域和需要解决的问题/问题的成功实施大规模混凝土3 dp。此外,以下重要结论可以到达。
•可用多种加固方法,每个问题和相关问题。因此,加固方法的选择是主观的,应当决定取决于所涉及的应用程序。
•混合料配合比设计的适当组合(有/没有混合强化元素,如纤维的加入),额外的强化技术(钢棒/电缆等),和夹层粘结技术(材料/设计增加粘结面积)需要获得最大的结构强度的能力。更多的研究在研究潜在的技术组合,达到最佳强度的能力。
•另外,元素的设计和几何影响层间结合强度。这增加了问题的复杂性在实现所需的抗弯和抗拉强度的要求。它使这一目标函数有多个参数,必须解决大规模工业实现。
•有许多非常规强化策略,但钢筋选择还应该考虑自动化水平。增援部队像带刺的电线和电缆必须同步印刷过程,涉及手工工作。自动化整个过程是至关重要的实现3 d打印技术的优点。
•尽管有研究随着混凝土中夹带的强化纤维或印刷工艺来提高结构的属性元素,混凝土的流变特性的进化时间不是广泛的研究。它需要得到更多的重要性理解流变特性需要应用程序在不同的环境条件。
除了上面的点,其它结构成员的实现的回顾研究了以下几点。
•有限分析或数值模型来预测失败模式或裂缝性3 d打印的结构成员的能量。
•印刷的喷射混凝土方法获得的兴趣和动力。它提供了另一种更快的方法extrusion-based 3 d打印钢筋同时允许集成在一个相对简单的方法比其他方法被研究。然而,对喷射混凝土的强度方面还需要进一步研究3 d打印的列和墙壁。另外,程序必须定义良好的开发高度自动化数字制造系统。
•研究人员和组织实施大型3 d打印系统。但是,为未来的研究有很大的空间改善生产力,进一步自动化过程,提高位置精度的系统,整合机器人在这个过程中,将安全问题和天气条件在发展过程。
•3 d打印模板是伟大的拯救传统模板成本和设计的灵活性。但是,由于其复杂的形状,强化集成成为一个问题。此外,这些模板需要测试他们可能会暴露在恶劣的气候条件;研究消除这些挑战。
•拓扑优化有助于节省材料,使得结构轻量化,同时保持了结构的性能。然而,研究将高级属性层凝聚力,放松收缩,水化能量的释放,将3 d印刷材料的各向异性行为,和之间的平衡几何复杂性和易于集成需要强化其成功并完成过渡到3 d具体的印刷
总结先进的方法相关的制造、测试和优化3 d打印的结构元素。得出在这一领域的研究呈几何倍数增长。然而,它仍在萌芽阶段,需要更多的研究来实现3 d打印技术作为一个大规模的施工技术。
作者的贡献
BR开发评审方法。党卫军编译检查混凝土的3 d印刷过程。美联社和某人编译文学在钢筋混凝土印刷技术。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
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关键词:混凝土三维印刷、结构元素、加固方法、力学性能,大规模的实现中,拓扑优化数值模型
引用:拉斐尔B, Senthilnathan年代,帕特尔和Bhat年代(2023)对混凝土的3 d印刷结构成员。前面。建立环境。8:1034020。doi: 10.3389 / fbuil.2022.1034020
收到:2022年9月01;接受:08年12月2022;
发表:2023年1月04。
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