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劍橋大學(xué)的研究人員與企業(yè)合作，開發(fā)了第一個用于國家高速公路項目的3D打印混凝土基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)件。

該構(gòu)件是一種被稱為“頭墻”的擋土墻，它已經(jīng)安裝在康沃爾郡的A30高速公路上。擋土墻結(jié)構(gòu)中嵌入了傳感器，能夠提供實時信息，包括溫度、應(yīng)變和壓力在內(nèi)的實測數(shù)據(jù)。這堵“數(shù)字孿生”墻能夠幫助發(fā)現(xiàn)并糾正潛在的故障。

通常，這類擋土墻結(jié)構(gòu)是用預(yù)制混凝土制成的，形狀受限，需要模板和大量鋼筋加固。但是通過使用3D打印技術(shù)，該團隊設(shè)計和構(gòu)建了一個曲線中空墻，無需模板和鋼筋加固。這堵墻的強度不來自于鋼筋，而是來自其自身的幾何形狀。

這堵墻用了一個小時的時間就打印完成，大約有2米高、3.5米寬。它是在Gloucestershire的先進工程公司Versarien總部，通過機械臂混凝土3D打印機打印的。使用3D打印技術(shù)制造墻體，顯著節(jié)省了成本、材料和碳排放。

過去6年里，劍橋大學(xué)阿比爾·阿爾-塔巴教授在工程系一直致力于開發(fā)新的傳感器技術(shù)，并研究現(xiàn)有商業(yè)傳感器的有效性，以從基礎(chǔ)設(shè)施中獲取更高質(zhì)量的信息。她的團隊還開發(fā)了各種“智能”自愈混凝土。在這個項目中，他們提供了測量打印過程中溫度的傳感器。持續(xù)監(jiān)測3D打印墻體不同層次的溫度變化，以檢測潛在的熱點、溫度梯度或異常。溫度數(shù)據(jù)將與相應(yīng)的熱成像剖面相關(guān)聯(lián)，以了解3D打印墻體的熱行為。

阿爾-塔巴教授說：“由于3D打印需要一種極快凝固的水泥，也會產(chǎn)生大量熱量。我們將傳感器嵌入墻體，以在施工過程中測量溫度，并且現(xiàn)在我們正在現(xiàn)場收集它們的數(shù)據(jù)。”

除了溫度，這些傳感器還測量相對濕度、壓力、應(yīng)變、電阻率和電化學(xué)電位。這些測量數(shù)據(jù)為傳感器的可靠性、穩(wěn)健性、準(zhǔn)確性和壽命提供寶貴的見解。

該項目還使用了LiDAR系統(tǒng)來掃描3D打印墻體，以創(chuàng)建一個3D點云并生成墻體的數(shù)字孿生。

阿爾-塔巴教授說：“讓墻體數(shù)字化意味著它可以自我表達(dá)。我們可以利用傳感器更好地理解這些3D打印結(jié)構(gòu)，并加速它們在工業(yè)中的應(yīng)用。”

劍橋團隊開發(fā)了一種稱為PZT（壓電陶瓷鉛酸鋯酸鈦）傳感器的類型，該傳感器測量電-機械阻抗響應(yīng)，并監(jiān)測這些測量值隨時間的變化，以便檢測任何可能的損傷。這些智能傳感器可以展示3D打印砂漿隨著時間的變硬情況，同時監(jiān)測主體結(jié)構(gòu)的健康狀況。

在3D打印過程中，有8個PZT傳感器嵌入在墻體的不同位置，以捕獲施工過程和現(xiàn)場安裝后的負(fù)荷和應(yīng)變情況。

該團隊由智能材料、自動化與機器人技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)專家組成，還開發(fā)了一套專門的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這使得可以從劍橋遠(yuǎn)程收集嵌入傳感器的多頻電-機械響應(yīng)數(shù)據(jù)。

阿爾-塔巴教授說：“這個項目將成為一個活生生的實驗室，在其使用壽命內(nèi)產(chǎn)生寶貴的數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生將幫助基礎(chǔ)設(shè)施專業(yè)人員更好地了解如何使用和調(diào)整3D打印技術(shù)，以便為戰(zhàn)略道路網(wǎng)絡(luò)打印更大型、更復(fù)雜的水泥基材料。”

劍橋團隊的工作是“持久材料計劃”和“未來數(shù)字道路”計劃的一部分。這項研究得到了英國研究與創(chuàng)新（UKRI）的組成部分——工程與物理科學(xué)研究委員會（EPSRC）和歐盟的部分資助。