一种利用电磁加热和工业机器人进行生物基墙体增材制造的新方法

《Journal of Cleaner Production》：Novel method for additive manufacturing of biobased walls using electromagnetic heating and industrial robots

可持续木基墙组件的电磁辅助增材制造研究 生物粘合剂Biomix-w的原料含水率、微波加热时长及压制成型参数对层积木材3D打印性能的影响

　　在当今全球面临环境挑战的背景下，建筑行业作为碳排放的主要来源之一，正在寻求更加可持续的解决方案。木质材料因其天然的可再生性、良好的强度重量比以及对环境的友好特性，成为一种极具潜力的替代材料。然而，传统建筑技术在利用木材方面存在诸多限制，例如加工效率低下、资源浪费严重以及生产过程中的环境影响较大。因此，开发一种能够有效提升木材使用效率、减少资源浪费并降低环境负担的新型制造技术，对于推动绿色建筑的发展具有重要意义。

本研究聚焦于一种基于生物基材料的新型增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术，旨在解决现有技术在木材利用率和生产效率方面的不足。该技术利用了一种专门研发的生物粘合剂——Biomix，将木材颗粒粘合在一起，形成可回收的墙体结构。传统的木材加工方法，如胶合木（GLT）或交错层压木材（CLT），通常只能将原始木材的约40%转化为最终产品，其余部分往往被视为废料，难以有效利用。而通过引入增材制造技术，不仅能够提高木材的使用效率，还能实现更加灵活的生产方式，减少对环境的负担。

在当前的建筑行业，增材制造技术的应用主要集中在矿物基材料，如混凝土和砂浆，这类材料虽然在建筑领域具有一定的应用前景，但其在资源利用效率、可持续性和可回收性方面存在明显的局限。例如，矿物基材料通常需要大量的粘合剂，这不仅增加了生产成本，还可能影响其环保性能。此外，这类材料的回收过程也较为复杂，难以实现真正的全生命周期管理。相比之下，基于木材的增材制造技术则展现出更高的可持续性和可回收性，为建筑行业提供了一种新的可能性。

本研究提出了一种创新的增材制造方法，采用电磁加热技术（特别是微波加热）对木材和粘合剂混合物进行预热，从而提高材料的加工效率。传统的热压成型方法通常受到热传导速度的限制，导致层厚较小，生产效率低下。而通过电磁加热，可以在不依赖高温加热板的情况下，实现更厚的层厚和更快的生产速度。这种方法不仅提高了材料的利用率，还降低了能源消耗和生产时间，从而增强了整体的可持续性。

为了进一步验证该技术的可行性，研究团队进行了一系列参数研究，重点考察了水含量和压合时间对材料性能的影响。通过系统调整这些参数，研究者发现适当的水含量和压合时间能够显著提升材料的结合性能和结构稳定性。同时，这些参数的变化还影响了材料的热行为和最终的几何形状。实验结果显示，通过优化水含量和压合时间，可以有效控制材料的膨胀和收缩，确保其在制造过程中保持良好的形状稳定性。

此外，研究还探讨了如何将这一技术与工业机器人相结合，以实现更大规模的自动化生产。工业机器人具有高度的灵活性和可编程性，能够适应多种制造场景，包括现场打印和工厂预制。通过将机器人与增材制造过程相结合，不仅可以提高生产效率，还能确保产品质量的一致性。在本研究中，ABB IRB 7600–325/3.1 工业机器人被用于评估其在不同操作条件下所能提供的最大压合力。实验结果表明，机器人在特定的灵敏度设置下能够提供足够的压合力，以满足增材制造过程中对木材粘合剂混合物的要求。

值得注意的是，虽然工业机器人在增材制造过程中展现出良好的潜力，但其应用仍然受到一些限制。例如，机器人在进行压合操作时，其末端执行器（End Effector）的位置和角度会影响最终的压合效果。此外，由于木材粘合剂混合物在加工过程中可能存在一定的不均匀性，这会增加制造的难度，尤其是在实现连续和均匀的压合操作方面。因此，研究团队建议在未来的制造过程中，进一步优化材料的配比和加工参数，以提高整体的稳定性和一致性。

本研究还分析了不同参数组合对制造结果的影响。通过系统的实验设计，研究者确定了最优的水含量和压合时间，使得制造出的墙体结构在强度和稳定性方面达到最佳状态。这些参数的优化不仅提高了材料的结合性能，还显著降低了生产过程中的能耗和资源浪费。同时，研究还发现，随着水含量的增加，所需的压合力会相应减少，这表明在保持材料性能的同时，可以通过调整水含量来降低生产成本。

综上所述，本研究通过引入电磁加热技术和工业机器人，提出了一种新型的增材制造方法，用于生产可回收的生物基墙体。这种方法不仅提高了木材的使用效率，还实现了更高的生产速度和更低的能耗。同时，研究结果表明，该技术在实际应用中具有较高的可行性，能够满足建筑行业对可持续材料和制造工艺的需求。未来的研究可以进一步优化材料配方和制造参数，以实现更大规模的商业化应用。此外，还可以探索更多自动化技术，以提高制造过程的灵活性和适应性，推动生物基材料在建筑领域的广泛应用。