位于瑟斯頓大廳地下室的Bovay民用基礎設施實驗室綜合體迎來了一個新租戶：一個重約6,000磅的工業(yè)機器人，能夠3D打印可能改變建筑業(yè)的大型結構，使其更高效通過消除傳統(tǒng)材料制造的浪費，實現可持續(xù)發(fā)展。

3D打印過程(也稱為增材制造)已經在產品原型設計和生物醫(yī)學方面取得了突破。然而，對于大型建筑項目，3D打印結構在現實世界中的表現仍然存在許多問題。

Bovay實驗室能夠測試和驗證所有類型和尺寸的制造材料和結構，特別適合將大規(guī)模3D打印置于運動、應力和應變中。

康奈爾大學現在是美國僅有的幾所擁有這樣一個系統(tǒng)的大學之一。土木與環(huán)境工程教授德里克·華納(DerekWarner)表示，它不僅能讓工程學院的教師進行機器人建筑研究，還能讓學生在土木基礎設施內快速發(fā)展的技術領域獲得實踐經驗。

“機器人砌體(砌磚)、再生塑料印刷和大規(guī)模金屬印刷都是令人興奮的領域，在科學和理解以及技術和工程方面都有很大的發(fā)展空間，”華納說。“控制構建過程的許多現象的縮放比例使得它們需要在接近它們將被使用的范圍內進行研究。這同樣適用于控制性能的一些現象。另外，總是有使用新技術進行早期擴展時會發(fā)生未知的意外。”

IRB6650S工業(yè)機器人系統(tǒng)于2月到貨，在過去的幾個月里，該實驗室一直在訓練使用該機器人系統(tǒng)(本質上是一個長長的旋轉臂)并運行許多中等尺寸的測試打印件，包括工作臺和種植園主，甚至是康奈爾字體中的大字母C。

“機器人系統(tǒng)用途廣泛且靈活，”土木與環(huán)境工程助理教授SriramyaNair說。“我們使用它的一種方式是對混凝土進行3D打印，但它也可以用于其他方式。您可以連接焊機或激光系統(tǒng)。您可以堆疊磚塊或系緊鋼筋。許多繁瑣的過程可以自動化。”

該機器人設置在一條12英尺長的軌道上，圓形范圍約為12英尺，總覆蓋區(qū)域可達8英尺乘30英尺，盡管實驗室預計不會打印出那么大的東西。致Bovay實驗室技術服務經理JamesStrait。

操作系統(tǒng)是一個團隊的努力。一組人混合預先配料的砂漿并攪拌添加劑，例如降低混合物的水含量并改善其通過軟管的流動性的減水劑。另一組操作機器人的控制器來調節(jié)有多少混合物流過系統(tǒng)。當混合物到達機器人的擠出機頭和噴嘴時，會引入一種硬化添加劑，使材料在傾倒時變稠。

獲得正確的一致性可能是一個挑戰(zhàn)。稱之為金發(fā)姑娘困境。

“底層需要有足夠的剛性來支撐正在打印的下一層。但它們不能太剛性，以至于當你在上面打印下一層時，它不會粘在上面，”Strait說。“你需要在那里粘合，但你不能讓它太軟以至于它會被壓扁。”

該過程是勞動密集型的，但如果成功完成，3D打印消除了對鑄模的需求，還允許創(chuàng)建非常規(guī)的形狀——浪費更少材料的優(yōu)化。

“任何時候澆注混凝土，比如人行道，都必須設置所有模具。這需要人工和材料，你必須把它全部固定下來。所有這些都需要很多時間，”海峽說.“你對混凝土結構所做的每一次改變，你都必須修改模具或獲得一個新模具并花費勞動力來做這件事。這比使用計算機程序說“你想要這個圓形?”要困難得多。.幾個小時，你就完成了。

Nair計劃將該系統(tǒng)整合到她在秋季教授的新課程“可持續(xù)性和自動化：建筑業(yè)的未來”中，這將幫助學生為他們所在領域即將發(fā)生的變化做好準備。

Nair說：“我們正在給他們一個機會來學習一些最前沿的東西，并且正在發(fā)生。”“他們知道的越多，他們就越能成為變革的擁護者，但也知道限制可能是什么。”

目前，該系統(tǒng)是使用砂漿進行3D打印的，從技術上講，砂漿是一種聚合體尺寸達4毫米的糊狀物。任何比這更大的東西都可能堵塞和損壞泵系統(tǒng)。然而，奈爾的團隊打算建造自己的擠出機頭來打印鋼纖維混凝土，這種混凝土使用更大的骨料，可以承受更重的負荷。這將為實驗室3D打印全橋組件并對其進行測試鋪平道路。

Nair還希望她的團隊能夠創(chuàng)建自己的混合物來打印，而不是依賴制造商的預混材料。

“這些材料的碳足跡現在非常高，”她說。“所以這是另一個目標，即減少與3D打印材料相關的碳足跡。”