解密美国陆军工程兵团利用3D打印技术在军事建筑中的应用

本视频采集自（ACI)American Concrete Institute

由美国陆军工程研究和发展中心的埃里克·克雷格（Eric Kreiger）撰写

美国陆军建筑工程研究实验室（CERL）在增材建造方面所取得的成果不仅适用于军事建筑，而且适用于建筑行业。通过更大规模的演示，CERL已开始面对行业所面临的困难。这些挑战包括持续的设备操作和维护周期，以及开发可与当地材料变化相适应的可打印混合材料、开发能够适应材料、设计方法和适用建筑方法的打印系统。

介绍

我将要谈论的是增材建造的可部署性的考虑因素。增材建造是一种利用不同的材料和方法来打印建筑部件的技术。我是国防部的一员，所以我们要面对军事问题，无论是人道主义救援还是军事行动，我们都要考虑可部署性，即这项技术是否可以装在集装箱里运到海外，并且能够在当地获取材料，从而减少后勤的需求，使这项技术对军事有用。我们在这个领域进行了不同程度的研究，我们已经在全国各地做了几次演示，现在我们也在向海外发展。从实验室到现场，我们要考虑一些一般性的因素，包括当地的资源、要完成的结构、使用的方法，以及当地的限制，因为你可能会受到当地环境的影响。还有一些更具体的因素，比如我们要讨论的建造类型、打印机类型、泵送材料、材料运输、班次长度等等。

打印机系统

打印机系统主要包括软件、打印机、泵送系统、混合系统和挤出系统。我们有自己开发的系统，它轻便、易于拆装和组装。它是和卡特彼勒公司合作研发的，但我不能透露打印机的细节。它非常容易和灵活地使用。

材料

我们看看混凝土材料，即构成混凝土的基础材料和主要混凝土。我们把它简化为这些简单的东西，通过改变添加剂，就可以制造出可打印的混凝土。然后你可以使用不同类型的钢筋，我们也做了一些测试，我们总是遵循 ASTM 的测试标准，就像之前的演讲中提到的那样，我们要保持这些标准，以展示可建造的东西。

当我们谈论材料和如何把它们运到现场时，我们要提前做好侦察，作为军方，我们要亲自去现场，或者让当地的人把材料送给我们，以便我们能够评估这些材料。因为我们的材料的质量会影响打印材料的质量，如果我们在沙子里发现大的骨料，就像右上角的图片那样，或者我们在我们的碎石里发现大的骨料，那么用打印机或泵送系统来泵送它们就很困难，所以我们不能做到。所以我们不得不在现场找到独特的筛选解决方案。在这些情况下，这些材料其实是提前送给我们的，我们也评估过这些材料，但它们还是带着这些大的骨料送到了现场，所以任何可能出错的事情都会出错，我们不得不找到解决方案，这是一种挑战。

我们作为美国陆军工程兵团，这是我们的工作，所以做材料侦察非常重要。

材料质量

在水泥方面，我们可以在世界任何地方很容易地获取水泥，但我们也在寻找其他可打印的替代材料，不过我们目前的研究主要还是集中在水泥上。在钢筋方面，我们通常也可以很容易地获取，我们尽量坚持传统的钢筋，因为我们要遵循现有的技术，因为这些是我们当时能够使用的。当我们过渡到一些更独特的钢筋方法时，比如之前演讲中提到的那样，我们可能会在将来适应这些方法，但现在我们还是尽量坚持更传统的方法。我们还在研究材料质量的不同测试，我们采用了通常用于土壤的非联合压缩试验，来评估材料的建造性和保持形状的能力，我们还进行了流变仪测试和打印稳定性测试，通过打印一个测试样品，看看它在打印过程中有多稳定，来评估材料的性能。我想指出的一点是，如果你看看应力增长曲线，你可以看到砂浆材料和混凝土材料的区别，砂浆材料在达到峰值后，它的扭矩很快就下降了，而混凝土材料则不是这样，它保持了一定的扭矩，虽然它也会稍微下降，这是符合预期的，也是可打印材料应该发生的，但我们的扭矩值保持得更好。

打印时间与经过时间

因为我们没有多少时间了，所以我要跳过一些内容。我们需要设定现实的期望，我们对这种24小时建造一栋房子的测试感兴趣，我们想知道这是否真的可行，所以我们进行了全天候的操作，我们打印了我们的第二栋房子，这实际上是我们打印的第二栋房子，我们记录了我们实际打印的时间和经过的时间，我们得出了一个公式，即延迟时间等于经过时间减去打印时间，延迟时间实际上是你休息的时间，因为你不能在下一层打印之前等待它获得强度或稳定性，或者是由于某些原因造成的延迟，比如我们停了一会儿，我把海军陆战队员送回家，然后他们回来，继续打印。我们总共用了48小时打印了这个结构的墙壁，这不包括屋顶，也不包括任何装饰或机电设备等等。所以我们要确保我们在这个行业向前发展时设定现实的期望，因为如果我们可以在两周内而不是24小时内生产出一栋房子，对于消费者来说，对于商业行业来说，这并没有太大的区别，但对于军方来说，这就有区别了，所以我们要努力推动这个领域的发展，看看我们能有多快。

我们能做的事情

有一件事情对我们有帮助，那就是材料的稳定性，因为我们通常使用一种含有气泡的材料来打印，这有助于打印的稳定性。

建造方法

建造方法有现场打印和预先打印两种，类似于现浇和预制。我们研究了加固策略，如何与屋顶和地基连接，我们实施了这些技术，它们相当简单，你可以遵循典型的预制或混凝土砌块类型的连接，也可以在内层放置钢筋。这项技术的一个特点是几何形状与钢筋的关系，我们可以得到一些独特的几何形状，增强结构的性能。

结构测试

我们正在进行一些结构测试，我们实际上有一面墙，它在底部有一个之字形或V形，然后在顶部变成一面直墙，我们能够得到比单纯的直墙强两倍半的强度，这面墙有垂直钢筋，这个实际上没有任何水平钢筋，不过我们通常会使用水平钢筋，但我们想只看看垂直钢筋的效果，所以我们能够得到结构荷载，这是我们为第二栋房子做的验证测试的一部分，类似于上一个演讲提到的，我们在打印之前做了所有的测试，因为我们想确保它能达到我们的预期，因为你可能不知道，美国的任何部署和建造的设计都要遵循美国的规范要求，不管现场是否这样做，但它们应该遵循美国的规范要求，而且它们是按照这样的方式设计的。总之，部署所需要的东西可以归纳为物流计划和安全风险缓解评估，我们在这些方面做得很好，我们进行了培训，还有海军陆战队员和士兵，因为我们的大部分演示都是用军事人员来做的，我们培训他们，然后他们来做打印，我们在那里作为专家，确保一切顺利。所以这些是这个话题的一些关键总结，当我们考虑可部署性时，我们在寻找什么。

广泛的定制基础设施应用

我们可以做广泛的定制基础设施应用，我们考虑的有从建筑到桥梁，到战斗阵地，到涵洞，到障碍物等等。我只是想给你们看一下我们做了什么，最后在中间下方是我们的团队照片。

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