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劍橋大學的研究人員與企業合作，開發了第一個用于國家高速公路項目的3D打印混凝土基礎設施構件。

該構件是一種被稱為“頭墻”的擋土墻，它已經安裝在康沃爾郡的A30高速公路上。擋土墻結構中嵌入了傳感器，能夠提供實時信息，包括溫度、應變和壓力在內的實測數據。這堵“數字孿生”墻能夠幫助發現并糾正潛在的故障。

通常，這類擋土墻結構是用預制混凝土制成的，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，該團隊設計和構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打印技術制造墻體，顯著節省了成本、材料和碳排放。

過去6年里，劍橋大學阿比爾·阿爾-塔巴教授在工程系一直致力于開發新的傳感器技術，并研究現有商業傳感器的有效性，以從基礎設施中獲取更高質量的信息。她的團隊還開發了各種“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。持續監測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。溫度數據將與相應的熱成像剖面相關聯，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，并且現在我們正在現場收集它們的數據?！?/p>

除了溫度，這些傳感器還測量相對濕度、壓力、應變、電阻率和電化學電位。這些測量數據為傳感器的可靠性、穩健性、準確性和壽命提供寶貴的見解。

該項目還使用了LiDAR系統來掃描3D打印墻體，以創建一個3D點云并生成墻體的數字孿生。

阿爾-塔巴教授說：“讓墻體數字化意味著它可以自我表達。我們可以利用傳感器更好地理解這些3D打印結構，并加速它們在工業中的應用?！?/p>

劍橋團隊開發了一種稱為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，并監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，同時監測主體結構的健康狀況。

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場安裝后的負荷和應變情況。

該團隊由智能材料、自動化與機器人技術和數據科學專家組成，還開發了一套專門的無線數據采集系統。這使得可以從劍橋遠程收集嵌入傳感器的多頻電-機械響應數據。

阿爾-塔巴教授說：“這個項目將成為一個活生生的實驗室，在其使用壽命內產生寶貴的數據。傳感器數據和數字孿生將幫助基礎設施專業人員更好地了解如何使用和調整3D打印技術，以便為戰略道路網絡打印更大型、更復雜的水泥基材料?！?/p>

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