来自宾夕法尼亚州立大学帕特里克分校的火星团队，在2017年8月25日在位于伊利诺伊州皮奥里亚的爱德华兹演示和学习中心，演示了完成的3D打印穹顶结构，伊利诺斯州的这个团队，在NASA的第二部分的第三组比赛“3d打印栖息地”挑战赛中，赢得了第二名并获得了15万美元的收入。

 

　　想象一座建筑为恶劣提高结构性能，通过较小的生态足迹以及透明与不透明材料之间的无缝衔接，来进行优化。此外，由于这种建筑物的材料和运营成本较低，使得建筑师的设计和创造更有灵感。

 

　　这个建筑梦想如何实现呢？宾夕法尼亚大学校园公园的研究者认为，3D打印混泥土可能成为一个解决方案。

 

　　宾夕法尼亚的这个团队包含了建筑师、结构工程师、电气工程师、机械工程师、材料工程师和一些其他专家，他们致力于开发一种，可以用用在3D机器人打印机喷嘴上的混泥土材料，去创造出一种可行的逐层的坚固的结构。

 

　　他们的工作正在进行中，但是作为美国宇航局3D打印栖息挑战赛的成员他们已经在第二部分时取得了巨大突破。这项挑战要求各团队开发出可以在火星栖息地上建立3D打印技术，其中包括3D打印器及其打印材料。这种材料主要是为了在火星上使用。竞争者必须计算出在压力测试下可以确定承受破坏容量的梁、圆筒和屋顶。这个容量必须达到比赛规定的一个小值才能通过比赛。在这些测试中分数会决定团队的排名，获胜者的归属以及颁奖典礼名单。在8月23日至26日在伊利诺斯州爱德华兹举行的后一场比赛中，宾州州立大学排在第二位，获得了15万美元的奖金。主营建筑设计和工程的公司——Foster &Partners公司与创业公司分支技术合作获得了名，并得到25万美元奖金。

 

　　尽管他们专门为NASA 3D打印的栖息地挑战而进行的工作，在比赛开始前大约8个月才开始，但是实际上宾州州立大学团队的每一个成员在近几年的时间里都在研究不同的方法去实现3D打印的材料和结构，NASA的竞赛促使他们在这个项目上更合作、更努力地工作。

 

　　该团队的成员Ali Memari博士在与研发杂志的访谈中说：“这种合作对使3D打印的混凝土成为现实是至关重要的。”

 

　　作为伯纳德和亨瑞塔汉金住宅建设项目的主席和宾西法尼亚州住房研究中心主任，Memari说：“是这个问题变得有趣的原因是，他需要不同层次的知识。这就是为什么我们需要一个多学科的团队，在这个领域做一些有意义的事情的原因。我们作为一个团队一起工作得很好;我们每个人都用自己的知识来实现这一目标。”

 

　　3D打印混泥土的优点

 

　　Memari说：“3d打印混凝土有许多优点。一个重要的优势是，它有可能降低建筑成本，并为建筑师提供更有创意的机会。”

 

　　因为这是3D打印的混泥土结构，所以不像传统材料那样需要临时的或者永久的模具进行混泥土浇灌。

 

　　Memari 说“如果你有一种方法来让你的混凝土结构不需要昂贵的模具，那就会更变得经济。此外，由于模具的存在，你必须要使得你的设计和细节都很简单，以便于快速的倒出来，而且你也不能做太多的变化，因为任何变化都会给模具增加费用。”

 

　　Memari解释说：“如果可以实现3D打印的技术，就可以让建筑师们设计出他们的没有太多限制的使用3D打印机来打印的理想设计。”

 

　　他说：“建筑师由于昂贵的模具，限制了他们去实现他们的梦想设计，而是只能选择设计一些更加实用的设计。目前，创建架构师真正想要创建的东西通常非常昂贵。”

 

　　3D打印混凝土的另一个潜在好处是可以将其与其他材料结合在一起，从而给结构带来额外的好处。多年来，教师团队成员Shadi Nazarian一直在研究使用3D打印技术的无接缝建筑工作。她一直在致力于加入透明的材料，比如玻璃，用玻璃聚合物混凝土。

 

　　美国宾夕法尼亚州立大学材料研究所(MRI)的建筑学副教授Nazarian接受研发杂志的采访时说：“我们设计了一种可以与玻璃无缝连接的凝胶聚合物混凝土结构，或者可以向玻璃过渡的结构。我们设计了一种基本上是由凝胶聚合物和玻璃组成的材料。如果你可以想象在墙的另一面负荷较大时是结构混凝土，然后你可以逐渐过渡，添加更多的玻璃达到你需要的半透明的效果，然后逐渐达到你终期盼的100%透明和不可操作的玻璃窗口。”

 

　　因为3D打印技术提供了一层一层的打印方法，因此它也可以用来创建为更好的结构或环境性能而优化的构件。

 

　　作为教师团队成员设计创新的主席和设计计算中心的主任的JoséPinto Duarte博士在研发杂志的采访中解释道：“如果你有一堵墙，你可以用不同的材料来设置墙的组成。例如，你可以用混凝土和软木结合来优化结构性能和环境性能。你可以通过调整混凝土相对于软木的比例，比如你想墙体更加坚固时，你可以提高混凝土的比例；相反如果你想让墙体软一点提高环境性能的话，你可以提高软木的比例。”

 

　　根据Duarte的可以说明，通过这种测试方法证明了，如果按照这种方式设计和建造，建筑物的运营成本可能会降低30%。

 

　　从竞争中学习

 

　　参与NASA 3D打印的栖息地挑战，要求宾州州立大学的团队，对他们之前没有解决的一些3D打印技术问题提出挑战。

 

　　Memari说:“我们初认为这仅仅是为了地球的使用，但一旦我们听说了NASA的竞争，我们就不得不重新考虑太空。我们必须想出合适的机器人，合适的搅拌机和新材料。这些都是对我们需要解决问题的大的挑战。”

 

　　工程设计、电气工程、航空航天工程教授、工程学院SEDTAPP项目的负责人教师团队成员Sven Bilén，也同意这个观点。

 

　　Bilén在接受研发杂志采访时表示:“把所有这些元素整合到一个系统中是我们面临的大挑战。作为单独的元素，我们研究了材料、制造方法、机器人，但是让所有这些都无缝地一起工作需要一个系统的方法，如果没有这种方法，我们可能就不会取得成功。”

 

　　该小组开发出了一种新的由80%至90%可在火星上找到，而且不需要太多水的材料制成混凝土配方。Duarte说：“这种材料如果完善，也可以在地球上使用。”

 

　　他说：“有趣的是我们开发的材料比传统混凝土有很多优势，例如，因为它的生态足迹更小，所以它实际上在地球上使用有很多优势。”

 

　　创建一种可以在喷嘴上流动的打印的很快，而且在它完全干燥之前保持足够的强大混凝土，使得他在下一层的重量下不会崩溃，这对整个团队来说是一个挑战。

 

　　典型的混凝土是由水泥、沙子、小石子、小石头和水组成的。水泥作为一种黏合剂，沙子作为填料，而聚合物赋予它强度。但在3D打印技术中，小石子或小石头是无法使用的，因为它们无法从喷嘴中流出。该团队不得不寻找替代的新材料，比如玻璃纤维和碳纤维。

 

　　在一次采访中，教师团队成员Nicholas Meisel博士说：“由于材料的设置是混凝土，这也是一种很难用于3D打印的材料。”

 

　　Emmert H. Bashore开发教授和工程设计与机械工程助理教授，Meisel说：“在3D打印中我们需要一个支撑材料，它通常是一种用来当作的脚手架去支撑我们的结构，否则我们的结构就会坍塌。混凝土的挑战，是你不能在传统意义去制造这个支撑结构，因为你必须进入里面并且剪掉你不需要打印的固体混凝土，所以我们必须想出一个解决方案。现有的混凝土印刷系统确实可以避免这个问题，因为他们打印的是笔直的墙，所以你不需要担心解决这些支持材料的问题。”

 

　　下一步计划

 

　　宾夕法尼亚州立大学的团队正在考虑他们是否要参加第三部分NANS 3D打印栖息地挑战赛，这部分比赛需要要求创造一个全面的避难所，作为参赛者他们需要筹集200万美元的资金。

 

　　不管怎样，他们都计划继续开发3D打印的混凝土技术。

 

　　Duarte说：“我们感兴趣的是不仅仅是在火星上建造庇护所，而是还有在地球上建造房屋；我们感兴趣的是了解这个技术所支持的架构是什么样子的；我们感兴趣的是利用这项技术了解建筑物的佳形状。”

 

　　宾夕法尼亚州立大学的教师领导，也包括来自Aleksandra Radlińska的土木和环境工程的助理教授。

 

　　此外，该团队还包括在Stuckeman 学校担任数字制作和专业技术协调员的Jamie Heilman以及建筑和工程学院的本科生和研究生。Andrew Przyjemski和内森沃森作为两名工程专业的本科生参加了比赛。

 

　　其他部门为了这个项目做出贡献的有：Maryam Hojati, Flávio Craveiro, Negar Ashrafi, Minhyeok Ko, Jivtesh Khurana, Keunhyoung Park, Juliana Neves, Mehrzad Zahabi, Arman Nasr；和Randall Bock一样，他们都是农业和生物工程的讲师。

更多详细报道请关注复材网www.cnfrp.com