蘇黎世聯(lián)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(lián)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(xiàn)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(lián)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(zhuǎn)化為高質(zhì)量的建筑產(chǎn)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(zhuǎn)化為有用的建筑材料。這不僅減少了建筑廢料的產(chǎn)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�！�

△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(shù)字藍圖為起點，機器人工具根據(jù)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(xiàn)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(jīng)產(chǎn)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?shù)睾驮倮�用材料進行機器人土方工程

環(huán)境和經(jīng)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(xiàn)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(chǎn)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(lián)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(chǎn)現(xiàn)場施工所需的部件。預計，研究人員將在一年內(nèi)成立一家初創(chuàng)企業(yè)，并在三年內(nèi)將產(chǎn)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。