蘇黎世聯邦理工學院創(chuàng)新沖擊3D打印技術：正積極推動建筑可持續(xù)發(fā)展

2024年11月1日，南極熊獲悉，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員宣布了一項重大技術突破，他們開發(fā)了一種名為“沖擊打印”的新型建筑機器人技術。通過利用地球上的材料，如沙子、淤泥、粘土和礫石，構建出可持續(xù)的建筑結構。這一創(chuàng)新方法旨在減少建筑行業(yè)對環(huán)境的影響，同時提供一種成本效益更高的建筑解決方案。

△現場圓形機器人施工示例

沖擊打印利用本地可回收材料，這些材料不僅成本低廉，而且易于獲取。蘇黎世聯邦理工學院的SNSF Bridge研究員Lauren Vasey領導的團隊開發(fā)了一種機器人工具和方法，可以將建筑工地挖掘出的材料轉化為高質量的建筑產品。

Vasey解釋說：“沖擊打印技術通過一種獨特的材料處理方法，將傳統(tǒng)建筑廢棄物轉化為有用的建筑材料。這不僅減少了建筑廢料的產生，還降低了對傳統(tǒng)材料的依賴，從而降低了整個建筑過程的碳足跡?！?br />

△研究已發(fā)表在Springer Nature雜志上，題目為“圓形機器人建造”（傳送門）

沖擊打印的工作原理

與傳統(tǒng)3D打印不同，沖擊打印技術采用的是幾乎不需要使用額外的添加劑。此方法首先將挖掘出的材料混合，以形成細顆粒和粗顆粒的平衡組合，確保材料的穩(wěn)定性和易用性。在這種混合物中，粘土等細顆粒材料充當粘合劑，而沙子和礫石等粗顆粒材料則增強結構強度。這種混合物設計得能夠有效通過機器人系統(tǒng)，避免堵塞問題。

沖擊式打印過程以數字藍圖為起點，機器人工具根據藍圖構建結構。這些工具安裝在移動平臺上，以每秒32英尺（約10米）的速度沉積材料，無需水泥即可實現材料層的粘合。

△沖擊打印不采用額外添加劑進行建筑制造

Vasey指出，這種技術已經產生了一種初始強度超過28 kPa的材料，這使得它在強度增益方面具有顯著優(yōu)勢。目前，團隊成功建造了高達6.5英尺（約2米）的墻壁，能夠支撐類似結構的負載，而無需額外的化學穩(wěn)定劑。

雖然這種材料的抗壓強度約為2兆帕（MPa），低于典型混凝土，但強度足以建造墻壁，并可支撐高達兩層樓的建筑物。

△利用當地和再利用材料進行機器人土方工程

環(huán)境和經濟考慮

傳統(tǒng)的3D打印技術以減少勞動力成本和降低住房成本而備受關注。然而，這一方法通常依賴于水泥，一種導致全球約8%的二氧化碳排放量的材料以及不可回收的添加劑。

Vasey指出，盡管目前的沖擊打印技術中加入了少量（1-2%）的礦物穩(wěn)定劑，但團隊的目標是在未來徹底淘汰這些添加劑，實現一種完全循環(huán)的方法。這種方法將使材料能夠在未來的建筑中被重新利用，避免產生垃圾填埋場的廢物。

他解釋道，盡管3D打印技術可以將材料精確地放置在所需的位置，但它通常需要大量使用砂漿、添加劑和促進劑。這些成分的組合往往會導致單位體積二氧化碳排放量顯著增加。

蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊正致力于將沖擊式打印技術推向市場，通過預制設施生產現場施工所需的部件。預計，研究人員將在一年內成立一家初創(chuàng)企業(yè)，并在三年內將產品推向市場。若能成功實施，沖擊式打印技術將為建筑領域提供一種可持續(xù)的3D打印替代方案，同時解決環(huán)境和成本問題。