新研究發(fā)現(xiàn)通過3D打印混凝土的厚度優(yōu)化可節(jié)省25％的材料

2025年5月16日，南極熊獲悉，法國研究團隊宣布在 3D 打印混凝土材料的可持續(xù)利用方面取得突破，引入了一種新穎的優(yōu)化框架，可在不影響結(jié)構(gòu)完整性的情況下減少高達 25% 的材料使用量。

這項研究由巴黎高科橋的 Romain Mesnil 博士領(lǐng)導(dǎo)，并以題為“Thickness optimisation in 3D printed concrete structures”的論文發(fā)表在《建筑自動化》雜志上，表明通過機器人速度動態(tài)調(diào)整的可變層厚度可以顯著減少混凝土殼體結(jié)構(gòu)增材制造中的打印時間和環(huán)境影響。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.autcon.2025.106076

Mesnil博士說道：“這項研究表明，通過利用機器人打印的功能，我們可以超越固定的層設(shè)計，并根據(jù)數(shù)據(jù)做出決定，確定真正需要的材料。這是邁向更環(huán)保、更智能的建筑的一大進步�！�

3DCP工藝優(yōu)化的新維度

這項工作對3D 混凝土打印(3DCP)的現(xiàn)狀提出了挑戰(zhàn)，由于建模復(fù)雜性和缺乏實時優(yōu)化工具，大多數(shù)系統(tǒng)依賴于均勻的壁厚。研究團隊采用了一種基于殼單元的輕量級有限元分析（FEA）方法，在保持精度的同時縮短了計算時間。他們的框架包括一個將工藝參數(shù)與材料沉積連接起來的參數(shù)優(yōu)化程序、用于控制厚度梯度的貝塞爾樣條函數(shù)以及用于確保機械可靠性的集成數(shù)值分析。研究人員通過使用 XTreeE 的機械臂系統(tǒng)對復(fù)雜形狀進行全尺寸打印實驗，驗證了他們的方法。

△文獻中提出的3DCP有限元建模。

主要創(chuàng)新包括：

• 將工藝參數(shù)（流速、噴嘴速度）與材料沉積曲線聯(lián)系起來的參數(shù)優(yōu)化程序。
• 使用貝塞爾樣條線來控制打印層的厚度漸變。
• 集成數(shù)值收斂分析確保機械可靠性，防止屈曲和失效。
• 通過使用 XTreeE 的 2K砂漿系統(tǒng)和機械臂對圓頂和沙漏殼等復(fù)雜形狀進行全面打印實驗進行驗證。
  

經(jīng)過多次測試表明，與傳統(tǒng)方法相比，可變厚度打印可減少高達25%的混凝土用量，并降低20%的成本。沙漏形測試結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出色，可變厚度設(shè)計在材料效率、時間和成本指標(biāo)方面均優(yōu)于恒定厚度設(shè)計。

可擴展的可持續(xù)建筑之路

這份優(yōu)化框架為制造商帶來了諸多潛在優(yōu)勢，包括減少碳排放、縮短打印時間，以及在平衡生產(chǎn)力和環(huán)境績效方面實現(xiàn)靈活性。為了便于應(yīng)用，研究人員開發(fā)了一種與常用參數(shù)化設(shè)計軟件 Grasshopper 和 Karamba 兼容的設(shè)計到打印工作流程，從而能夠集成到現(xiàn)有的設(shè)計環(huán)境中。