项目背景

近日，苏黎世联邦理工学院的建筑师和工程师正筹划建造一座由3D打印混凝土柱子组成的23米高白塔，这将成为瑞士Mulegns（穆勒根斯）小村庄的一个文化场所。

苏黎世联邦理工学院负责研究的副校长Detlef Günther对外表示，该项目的目标是振兴这个只有16名居民的地区，并加强文化、研究和技术发展之间的联系。

这座高塔将在现场使用机器人3D打印机建造，据称23米的高度将是有史以来由3D打印机器人建造的高层结构之一。

△Mulegns的3D打印白塔的外观效果图。图片来源：Hansmeyer/Dillenburger

"蛋壳”3D打印技术

对于在建筑环境中进行混凝土3D打印来说，它通常需要由模板来支撑，因为它从流体材料过渡到固体，是非常昂贵的。正交结构也仍然是常态，许多建筑使用的材料比实际需要的要多。虽然FDM 3D打印在建筑应用中显示出前景，但这项技术的速度、规模以及无法生产薄的打印结构来固定混凝土，在一定程度上阻碍了其广泛采用。

注：FDM是“Fused Deposition Modeling”的缩写，即熔积成型法，是一种将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC 等）加热熔化进而堆积成型方法。FDM工作原理是：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y 平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷，在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm 厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成3D打印零件。

来自苏黎世联邦理工学院的研究人员将机器人大规模FDM 3D打印与铸造方法相融合，设计出一种新颖的 "蛋壳 "混凝土3D打印工艺。这项技术使团队能够以一种更节省材料的方式生产复杂的结构，同时也将材料的横向压力降到最低，以允许打印出具有更复杂几何形状的雕塑作品。

通过将大规模机器人FDM 3D打印与按需设置的数字铸造系统相结合，系统由苏黎世的一个早期团队设计的智能动态铸造（SDC）方法发展而来，建造团队可以使用单层薄壳作为模板创造更复杂的结构。

通过与德国工程公司Basler & Hofmann合作，苏黎世团队部署了这项制造工艺，在公司总部的院子里创建了一棵3D打印的 "未来之树"，并且树的柱子在几个小时内就可以完成自我支撑。

苏黎世联邦理工学院此前还参与了其他几个建设项目，与扎哈-哈迪德建筑事务所合作，创建了一个5吨重的3D打印弧形外壳混凝土馆，并使用3D打印机和机械臂数字化制造了一栋三层楼的房子。

△白塔门厅的内景效果图。图片来自Hansmeyer/Dillenburger

白塔的打印

Mulegns（穆勒根斯）村庄的复兴项目是戏剧导演兼Origen文化节创始人Giovanni Netzer先生的创意。苏黎世联邦理工学院教授Benjamin Dillenburger和数字建筑技术研究小组的Michael Hansmeyer与Origen基金会一起参与设计了这座塔，它将主要由3D打印白色混凝土柱构成。

这些柱子支撑着四层楼，每层楼的高度在4-8米之间，并在塔顶形成一个圆顶，圆顶内将有一个舞台，可以举行戏剧、舞蹈表演和音乐会。

来自国家研究中心（NCCR）数字制造部的另外三位ETH教授也与迪伦伯格一起参与了该塔的3D技术开发。Robert Flatt负责混合可打印的混凝土材料，Walter Kaufmann负责打印部件的结构完整性和连接，AndreasWieser将专注于建造过程中的计量和检测要素。

该项目将于2022年4月在现场开始。据报道，机器人打印机将能够在两个小时内打印出一个3米高的混凝土柱子，每个3D打印元件都将被设计成可以在另一个地方拆卸和重建的塔。

使用3D打印技术进行建造，将能够生产出复杂几何形状的柱子，并且通过消除对模板的需求，减少原材料的使用。

△戏剧导演Giovanni Netzer；ETH负责研究的副主席Detlef Günther；联合会主席Guy Parmelin和格劳宾登州政府委员会的Mario Cavigelli（从左至右）。照片来自Benjamin Hofer

在建筑领域，3D打印正被越来越多地用于提供增强的材料特性，降低制造时间和成本，并在新建筑的建造过程中提高材料效率。