苏黎世联邦理工学院创新冲击3D打印技术：正积极推动建筑可持续发展

2024年11月1日，南极熊获悉，苏黎世联邦理工学院的研究人员宣布了一项重大技术突破，他们开发了一种名为“冲击打印”的新型建筑机器人技术。通过利用地球上的材料，如沙子、淤泥、粘土和砾石，构建出可持续的建筑结构。这一创新方法旨在减少建筑行业对环境的影响，同时提供一种成本效益更高的建筑解决方案。

△现场圆形机器人施工示例

冲击打印利用本地可回收材料，这些材料不仅成本低廉，而且易于获取。苏黎世联邦理工学院的SNSF Bridge研究员Lauren Vasey领导的团队开发了一种机器人工具和方法，可以将建筑工地挖掘出的材料转化为高质量的建筑产品。

Vasey解释说：“冲击打印技术通过一种独特的材料处理方法，将传统建筑废弃物转化为有用的建筑材料。这不仅减少了建筑废料的产生，还降低了对传统材料的依赖，从而降低了整个建筑过程的碳足迹。”

△研究已发表在Springer Nature杂志上，题目为“圆形机器人建造”（传送门）

冲击打印的工作原理

与传统3D打印不同，冲击打印技术采用的是几乎不需要使用额外的添加剂。此方法首先将挖掘出的材料混合，以形成细颗粒和粗颗粒的平衡组合，确保材料的稳定性和易用性。在这种混合物中，粘土等细颗粒材料充当粘合剂，而沙子和砾石等粗颗粒材料则增强结构强度。这种混合物设计得能够有效通过机器人系统，避免堵塞问题。

冲击式打印过程以数字蓝图为起点，机器人工具根据蓝图构建结构。这些工具安装在移动平台上，以每秒32英尺（约10米）的速度沉积材料，无需水泥即可实现材料层的粘合。

△冲击打印不采用额外添加剂进行建筑制造

Vasey指出，这种技术已经产生了一种初始强度超过28 kPa的材料，这使得它在强度增益方面具有显著优势。目前，团队成功建造了高达6.5英尺（约2米）的墙壁，能够支撑类似结构的负载，而无需额外的化学稳定剂。

虽然这种材料的抗压强度约为2兆帕（MPa），低于典型混凝土，但强度足以建造墙壁，并可支撑高达两层楼的建筑物。

△利用当地和再利用材料进行机器人土方工程

环境和经济考虑

传统的3D打印技术以减少劳动力成本和降低住房成本而备受关注。然而，这一方法通常依赖于水泥，一种导致全球约8%的二氧化碳排放量的材料以及不可回收的添加剂。

Vasey指出，尽管目前的冲击打印技术中加入了少量（1-2%）的矿物稳定剂，但团队的目标是在未来彻底淘汰这些添加剂，实现一种完全循环的方法。这种方法将使材料能够在未来的建筑中被重新利用，避免产生垃圾填埋场的废物。

他解释道，尽管3D打印技术可以将材料精确地放置在所需的位置，但它通常需要大量使用砂浆、添加剂和促进剂。这些成分的组合往往会导致单位体积二氧化碳排放量显著增加。

苏黎世联邦理工学院的研究团队正致力于将冲击式打印技术推向市场，通过预制设施生产现场施工所需的部件。预计，研究人员将在一年内成立一家初创企业，并在三年内将产品推向市场。若能成功实施，冲击式打印技术将为建筑领域提供一种可持续的3D打印替代方案，同时解决环境和成本问题。