增材制造、精确的机器人技术和架构设计显著增强了混凝土的抗裂性。
受到自然的启发，普林斯顿工程学院的研究团队通过结合架构设计和先进的增材制造技术，成功提高了混凝土构件的抗裂性，利用工业机器人精确管理材料的沉积。
在8月29日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，由普林斯顿土木与环境工程助理教授Reza Moini领导的研究揭示，他们的创新设计与传统铸造混凝土相比，抗裂性提升了多达63%。
研究人员从一种被称为腔肠鱼的古代鱼类的鳞片中发现的双螺旋结构中汲取灵感。Moini强调，自然常常使用智能架构来同时改善材料性能，包括强度和抗裂性。
为了建立这些机械优势，研究人员提出了一种将混凝土组织成分开的线条的三维结构。该设计采用机器人增材制造在相邻线条之间创建松散连接。研究人员实验了各种设计配置，将多个线条叠加成较大功能形状，如梁。这些配置涉及稍微调整每个叠块的方向，在梁中创建双螺旋结构（两个正交层垂直扭曲），这是增强材料抵抗裂纹扩展能力的关键。
文章讨论了抗裂纹扩展的内在机制作为一种“增强机制”。期刊中概述的方法依赖于多种过程的结合，可以阻止裂纹扩展、锁定破碎表面或在裂纹形成后将其从直接路径中偏转，正如Moini所解释的。
普林斯顿的研究生、该研究的共同作者Shashank Gupta指出，在大规模生产所需高精度的架构混凝土时——特别是在梁和柱等构件中——通常需要机器人协助。这是因为目前在没有机器人制造所提供的自动化和准确性的情况下，想要实现用于结构目的的材料的有意内部配置非常困难。增材制造是机器人逐层应用材料以构建结构，使设计师能够研究传统铸造方法无法实现的复杂架构。在Moini的实验室中，研究人员利用配备先进实时材料处理能力的大型工业机器人创建全尺寸的结构构件，同时也具备美学吸引力。
此外，团队设计了一种针对新鲜混凝土在自身重力下变形问题的量身定制的解决方案。当机器人铺设混凝土以形成结构时，上层的重量可能会扭曲下方的混凝土，影响完成的架构形状的几何精度。为了应对这一问题，研究人员专注于调节混凝土的硬化速率，以防止在制造过程中变形。他们在实验室中实现了一种复杂的双组分挤出系统，直接安装在机器人的喷嘴上。Gupta负责研究中的挤出部分，描述了该专用机器人设置的两个进料口：一个用于混凝土，另一个用于化学加速剂。这些材料在挤出前就在喷嘴中混合，使加速剂加快混凝土的固化过程，同时确保对结构的精确控制并尽量减少变形。通过准确调整加速剂的用量，研究人员实现了对结构的增强控制，并减少了下层的变形。
