項目背景

近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的建筑師和工程師正籌劃建造一座由3D打印混凝土柱子組成的23米高白塔，這將成為瑞士Mulegns（穆勒根斯）小村莊的一個文化場所。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院負責(zé)研究的副校長Detlef Günther對外表示，該項目的目標(biāo)是振興這個只有16名居民的地區(qū)，并加強文化、研究和技術(shù)發(fā)展之間的聯(lián)系。

這座高塔將在現(xiàn)場使用機器人3D打印機建造，據(jù)稱23米的高度將是有史以來由3D打印機器人建造的高層結(jié)構(gòu)之一。

△Mulegns的3D打印白塔的外觀效果圖。圖片來源：Hansmeyer/Dillenburger

"蛋殼”3D打印技術(shù)

對于在建筑環(huán)境中進行混凝土3D打印來說，它通常需要由模板來支撐，因為它從流體材料過渡到固體，是非常昂貴的。正交結(jié)構(gòu)也仍然是常態(tài)，許多建筑使用的材料比實際需要的要多。雖然FDM 3D打印在建筑應(yīng)用中顯示出前景，但這項技術(shù)的速度、規(guī)模以及無法生產(chǎn)薄的打印結(jié)構(gòu)來固定混凝土，在一定程度上阻礙了其廣泛采用。

注：FDM是“Fused Deposition Modeling”的縮寫，即熔積成型法，是一種將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC 等）加熱熔化進而堆積成型方法。FDM工作原理是：加熱噴頭在計算機的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，作X-Y 平面運動，熱塑性絲狀材料由供絲機構(gòu)送至熱熔噴，在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來，有選擇性的涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層大約0.127mm 厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺下降一定高度，再進行下一層的熔覆，好像一層層"畫出"截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成3D打印零件。

來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員將機器人大規(guī)模FDM 3D打印與鑄造方法相融合，設(shè)計出一種新穎的 "蛋殼 "混凝土3D打印工藝。這項技術(shù)使團隊能夠以一種更節(jié)省材料的方式生產(chǎn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時也將材料的橫向壓力降到最低，以允許打印出具有更復(fù)雜幾何形狀的雕塑作品。

通過將大規(guī)模機器人FDM 3D打印與按需設(shè)置的數(shù)字鑄造系統(tǒng)相結(jié)合，系統(tǒng)由蘇黎世的一個早期團隊設(shè)計的智能動態(tài)鑄造（SDC）方法發(fā)展而來，建造團隊可以使用單層薄殼作為模板創(chuàng)造更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

通過與德國工程公司Basler & Hofmann合作，蘇黎世團隊部署了這項制造工藝，在公司總部的院子里創(chuàng)建了一棵3D打印的 "未來之樹"，并且樹的柱子在幾個小時內(nèi)就可以完成自我支撐。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院此前還參與了其他幾個建設(shè)項目，與扎哈-哈迪德建筑事務(wù)所合作，創(chuàng)建了一個5噸重的3D打印弧形外殼混凝土館，并使用3D打印機和機械臂數(shù)字化制造了一棟三層樓的房子。

△白塔門廳的內(nèi)景效果圖。圖片來自Hansmeyer/Dillenburger

白塔的打印

Mulegns（穆勒根斯）村莊的復(fù)興項目是戲劇導(dǎo)演兼Origen文化節(jié)創(chuàng)始人Giovanni Netzer先生的創(chuàng)意。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Benjamin Dillenburger和數(shù)字建筑技術(shù)研究小組的Michael Hansmeyer與Origen基金會一起參與設(shè)計了這座塔，它將主要由3D打印白色混凝土柱構(gòu)成。

這些柱子支撐著四層樓，每層樓的高度在4-8米之間，并在塔頂形成一個圓頂，圓頂內(nèi)將有一個舞臺，可以舉行戲劇、舞蹈表演和音樂會。

來自國家研究中心（NCCR）數(shù)字制造部的另外三位ETH教授也與迪倫伯格一起參與了該塔的3D技術(shù)開發(fā)。Robert Flatt負責(zé)混合可打印的混凝土材料，Walter Kaufmann負責(zé)打印部件的結(jié)構(gòu)完整性和連接，AndreasWieser將專注于建造過程中的計量和檢測要素。

該項目將于2022年4月在現(xiàn)場開始。據(jù)報道，機器人打印機將能夠在兩個小時內(nèi)打印出一個3米高的混凝土柱子，每個3D打印元件都將被設(shè)計成可以在另一個地方拆卸和重建的塔。

使用3D打印技術(shù)進行建造，將能夠生產(chǎn)出復(fù)雜幾何形狀的柱子，并且通過消除對模板的需求，減少原材料的使用。

△戲劇導(dǎo)演Giovanni Netzer；ETH負責(zé)研究的副主席Detlef Günther；聯(lián)合會主席Guy Parmelin和格勞賓登州政府委員會的Mario Cavigelli（從左至右）。照片來自Benjamin Hofer

在建筑領(lǐng)域，3D打印正被越來越多地用于提供增強的材料特性，降低制造時間和成本，并在新建筑的建造過程中提高材料效率。