中正前瞻中心應用3D列印技術於建築營造業

   日期:2022-02-21     瀏覽:219    評論:0    
核心提示:近年來3D列印技術被建築營造業所關注,然而,應用於鋼筋混凝土建築上有許多困難,混凝土並非傳統3D列印材料,在「擠出」與「塑形」上有仍有許多地方需要克服。另外列印過程與結果的預估,如材料、參數、路徑以及結構、應力等方面的經驗與判斷仍處於尚未建立統一標準階段。尤其當列印的模型結構程度非常複雜與過多數據的時候,這是一個非常大的挑戰。

因此,中正大學前瞻製造系統頂尖研究中心劉德騏教授與成功大學土木系洪崇展教授共同組成國內整合資機電與土木材料工程的3D列印混凝土系統研發團隊,共同發展了一種國內自主研發的可列印的混凝土材料以及混凝土3D列印品質模擬預估軟體技術,架構如圖1所示。

圖1-中正大學前瞻中心劉德騏教授與成功大學土木系洪崇展教授共同組成的3D列印混凝土系統研發團隊應用3D列印技術於建築營造業。圖/中正前瞻中心提供

 

研發團隊採用成功大學土木系洪崇展教授發展的新型複合水泥基質材料「超高性能混凝土」,在超高性能混凝土中添加多種纖維,將傳統混凝土不足之處(拉力強度較低、易開裂、及脆性)減輕至最低,且其緻密的顆粒結構,也具有優秀抗酸鹼腐蝕耐久性, 因此優秀的力學性能與耐久性質為此新材料一大特色。

圖2-圖/中正前瞻中心提供

 

中正大學前瞻製造系統頂尖研究中心劉德騏教授利用Rhino軟體開放源發展混凝土3D列印製程模擬及品質優化程序,其程序可根據物件之幾何外形,計算列印路徑及噴頭角度,圖2為不同噴頭角度之列印結果示意圖,上圖為一般列印之固定高度切層方式;下圖為噴頭隨著輪廓之角度變化,這種策略的明顯優勢是使兩層之間的接觸表面保持恆定,從而避免了兩層之間的幾何間隙,這樣的結構較不容易塌陷,可提供設計師列印特殊形狀與造型之產品。

圖3-圖/中正前瞻中心提供

 

在混凝土3D列印製程品質之模擬分析上,有別於國外其他研發團隊使用有限元素法的方法,採用自行研發之無限元素法來模擬(圖3),搭配時變材料性質元素,分析物件在製造過程的應力分布及形變,再根據其分析結果,優化製程參數,如位移速率、擠出速率等。

該團隊所提出之「可列印混凝土材料以及混凝土3D列印品質模擬預估技術」是目前以3D列印混凝土建築為產品目標所需要的相關核心技術,可依需求製作與施行相關工程之製程、材料規劃,達成自動化、無人化系統之功能,提高混凝土產業產能的提升。

圖/中正前瞻中心提供

 

此聯合研發技術也獲得2021科技部未來科技獎的殊榮與肯定,目前團隊也與台灣機械廠合作設置龍門型機台,該機台最高線速度為5m/min、定位精度為1mm、工作空間為3m x 3m x 3m,預計2022年夏季可以開始提供國內營建商或混凝土預鑄廠,相關產學研或代印產品等服務。

 

技術諮詢聯繫窗口

中正大學前瞻製造系統頂尖研究中心 陳自豪 博士

E-mail: d97420010@gmail.com 電話: (05)2720411 #16471

成功大學土木工程學系 溫國威 博士生助理

E-mail: s4121212@gmail.com  電話: (06)2757575#63109#2520

 

【文 / 李淑慧;本文已獲得工商時報授權轉載】

 

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