Команда исследователей из Политехнического университета Валенсии (UPV) разработала печатаемую на 3D-принтере из переработанного пластика альтернативу железобетонным балкам.
Хотя железобетонные балки чрезвычайно прочные, они также очень тяжелые, поскольку содержат много металла. В результате перемещение таких тяжестей часто затруднено и требует значительного количества энергии.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи разработали и запатентовали пластиковые балки, напечатанные на 3D-принтере, которые можно собирать, как кирпичи лего, и бетонировать на месте, при этом их вес на 80 процентов меньше, чем у традиционных железобетонных или металлических балок.
«Наша цель состояла в том, чтобы предложить альтернативу нынешним железобетонным конструкциям», - сказал Хосе Рамон Альбиоль, профессор Высшей технической школы инженерного строительства (ETSIE) в UPV. «Они состоят из профилей, тянущихся по всей длине детали, что требует дорогостоящей установки и трудно транспортируется».
Команда UPV приступила к 3D-печати пластиковых блоков, которые можно было соединить вместе, чтобы сформировать балки, в качестве альтернативы традиционным железобетонным или металлическим балкам. Чтобы добиться значительной экономии веса по сравнению с такими балками, исследователи смоделировали свои 3D-печатные блоки на внутренних полимерных профильных структурах подобных человеческим костям.
Альвеолярная структура, типичная для эпифизов - или концевой части - костей, состоит из частично губчатого слоя с трабекулярно-пористым каркасом и толстого компактного внешнего слоя. Исследователи воспроизвели эту геометрическую структуру в своих 3D-печатных блоках, чтобы придать им прочность и жесткость, сохранив при этом детали как можно более легкими.
Блоки также были напечатаны с использованием переработанного пластика в качестве сырья для повышения экологичности процесса строительства.
«Это сотовая структура, которая позволяет уменьшить используемый пластик и, следовательно, его вес, сохраняя при этом жесткость конструкции», - сказал Альбиол. «И это то, что мы перенесли в эти революционные балки, в частности, в профили. Это очень интеллектуальная природная система, и ее воспроизведение в этих балках придает им, при небольшом весе конструкции, очень высокую механическую прочность».
Команда UPV разрабатывала свои 3D-печатные балки в течение последних трех лет и запатентовала систему в октябре 2020 года.
Помимо преимуществ экономии веса за счет печати компонентов балки из пластика, основная новинка системы исследователей заключается в ее модульности, благодаря которой блоки, напечатанные на 3D-принтере, могут быть собраны вместе на месте для формирования продольной балки, которую затем устанавливают. на место со слоем бетона.
В результате не требуются большие грузовики и краны для транспортировки и установки балок, что экономит время и затраты на рабочую силу и материалы.
«Система также устраняет необходимость в дорогостоящей опалубке, позволяя вам работать без необходимости сокращать трафик в инфраструктуре, в которой вы работаете», - сказал Хосе Луис Боне из Института науки и технологии бетона Университета (ICITECH) в UPV. . «Кроме того, это решение снижает требуемые трудовые и вспомогательные ресурсы, что приводит к значительной экономии времени и средств».
Кроме того, использование 3D-печати означает, что целые балки можно как изготавливать, так и собирать на месте независимо от местоположения, а балки при необходимости можно настраивать в соответствии с потребностями отдельных проектов.
«Возможность настройки балок на месте позволяет адаптировать характеристики каждого из них к структурным потребностям каждой точки приложения», - добавил Мигель Санчес из Департамента информатики систем и компьютеров (DISCA) в UPV. «Возможность вторичного использования полимерных материалов для изготовления балок также значительно снижает углеродный след».
В последние годы в строительном секторе все больше используются сильные стороны 3D-печати для обеспечения улучшенных характеристик материалов, сокращения сроков и затрат на производство, а также снижения выбросов углекислого газа.
В октябре прошлого года исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали новый метод внедрения 3D-печати полимерных октетных решеток в бетонные конструкции в качестве усиления. Им удалось снизить содержание бетона в смеси примерно на 33 процента, что значительно снизило общий вес конструкции, сохранив при этом ее несущие способности.
В другом месте исследователи из ETH Zurich использовали комбинацию крупномасштабной 3D-печати FDM и методов литья для разработки процесса 3D-печати бетона «яичная скорлупа». Этот метод позволяет команде изготавливать сложные бетонные конструкции более экономичным способом.
Совсем недавно ученые из Технологического университета Суинберна и Технологического университета Хэбэя приступили к повышению устойчивости в этом секторе, переработав строительные отходы в бетон, пригодный для 3D-печати.