劍橋研究人員 3D 打印智能混凝土端墻，實現(xiàn)墻體結構建造過程的數(shù)字孿生

基礎設施正在成為混凝土 3D 打印的一個關鍵發(fā)展領域。2023年7月19日，南極熊獲悉，劍橋研究人員與 Versarien 等行業(yè)和專業(yè)公司合作，幫助開發(fā)了第一座用于國家高速公路項目的 3D打印混凝土基礎設施。這種3D 打印結構（一種被稱為端墻的擋土墻）已安裝在康沃爾郡的 A30 高速公路上，由于嵌入其結構中的劍橋設計的傳感器，它可以提供實時信息。這些傳感器提供最新的測量結果，包括溫度、應變和壓力。墻壁的數(shù)字孿生可以幫助在故障發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)并糾正故障。

端墻結構通常由預制混凝土制成有限的形狀，需要模板和大量的鋼筋。但通過使用 3D 打印，該團隊（包括來自 Costain、Jacobs 和Versarien 的專家）可以設計和建造無需模板和鋼筋的彎曲空心墻。這堵墻的強度不是來自鋼材，而是來自幾何形狀。

這堵墻花了一小時打印而成，大約有兩米高、三米半寬。它是在格洛斯特郡先進工程公司Versarien的總部使用基于機械臂的混凝土打印機打印的。使用 3D 打印制作墻壁可顯著節(jié)省成本、材料和碳排放。

在過去的六年里，工程系 Abir Al-Tabbaa 教授的團隊一直在開發(fā)新的傳感器技術，并探索現(xiàn)有商業(yè)傳感器的有效性，以便從基礎設施中獲取更高質量的信息。她的團隊還開發(fā)了各種“智能”自修復混凝土。對于這個項目，他們提供了傳感器來測量打印過程中的溫度。

持續(xù)監(jiān)測 3D 打印墻壁不同層的溫度變化，以檢測任何潛在的熱點、熱梯度或異常情況。溫度數(shù)據將與相應的熱成像剖面相關聯(lián)，以了解 3D 打印墻的熱行為。

Al-Tabbaa 說：“由于 3D 打印需要極速凝固的水泥，因此它也會產生大量的熱量。我們將傳感器嵌入墻壁中，以在施工過程中測量溫度，現(xiàn)在我們可以在墻壁在現(xiàn)場時從傳感器中獲取數(shù)據?！?/div>

除了溫度之外，傳感器還測量相對濕度、壓力、應變、電阻率和電化學勢。這些測量為傳感器的可靠性、穩(wěn)健性、準確性和壽命提供了寶貴的見解。

△Versarien 工廠的項目團隊

激光雷達系統(tǒng)還用于在打印時掃描墻壁，以創(chuàng)建 3D 點云并生成墻壁的數(shù)字孿生體。

Versarien 研究團隊表示：“讓墻數(shù)字化意味著它可以自己說話，我們可以使用我們的傳感器更好地了解這些 3D 打印結構并加速它們在行業(yè)中的接受度?！?/div>

劍橋團隊開發(fā)了一種稱為 PZT（壓電陶瓷鉛鋯鈦酸鹽）傳感器的傳感器，它可以測量機電阻抗響應并監(jiān)控這些測量值隨時間的變化，以檢測任何可能的損壞。這些智能傳感器可以顯示 3D 打印砂漿如何隨著時間的推移而硬化，同時監(jiān)控主體結構的健康狀況。

在 3D 打印過程中，八個 PZT 傳感器被嵌入墻層的不同位置，以捕獲施工過程中和現(xiàn)場安裝后的使用壽命期間的負載和應變情況。

該團隊包括智能材料、自動化、機器人和數(shù)據科學領域的專家，還開發(fā)了定制的無線數(shù)據采集系統(tǒng)。這使得能夠從劍橋遠程收集嵌入式傳感器的多頻機電響應數(shù)據。

Tabbaa 教授表示：“這個項目將作為一個活生生的實驗室，在其生命周期內生成有價值的數(shù)據。傳感器數(shù)據和‘數(shù)字孿生’將幫助基礎設施專業(yè)人士更好地了解如何使用和定制 3D 打印技術，為戰(zhàn)略道路網絡打印更大、更復雜的水泥建筑結構?！?/div>

項目的團隊成員包括來自劍橋大學的 Sripriya Rengaraju 博士、Christos Vlachakis 博士、Yen-Fang Su 博士、Damian Palin 博士、Hussam Taha 博士、Richard Anvo 博士和 Lilia Potseluyko 博士；以及 Costain 材料主管 Bhavika Ramrakhyani（工程系兼職博士生）和 Versarien 建筑創(chuàng)新主管 Ben Harries（也將于 10 月開始在工程系攻讀兼職博士學位）。

劍橋團隊的工作是生命彈性材料計劃和未來數(shù)字之路計劃的一部分。該研究得到了英國研究與創(chuàng)新部 (UKRI) 旗下工程和物理科學研究委員會 (EPSRC) 以及歐盟的部分支持。