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(guó)研究團(tuán)隊(duì)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(dá) 25% 的材料使用量。

這項(xiàng)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(dòng)化》雜志上，表明通過機(jī)器人速度動(dòng)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(shí)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(xiàng)研究表明，通過利用機(jī)器人打印的功能，我們可以超越固定的層設(shè)計(jì)，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(jìn)步�！�

3DCP工藝優(yōu)化的新維度

這項(xiàng)工作對(duì)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(shí)時(shí)優(yōu)化工具，大多數(shù)系統(tǒng)依賴于均勻的壁厚。研究團(tuán)隊(duì)采用了一種基于殼單元的輕量級(jí)有限元分析（FEA）方法，在保持精度的同時(shí)縮短了計(jì)算時(shí)間。他們的框架包括一個(gè)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(jī)械可靠性的集成數(shù)值分析。研究人員通過使用 XTreeE 的機(jī)械臂系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜形狀進(jìn)行全尺寸打印實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了他們的方法。

△文獻(xiàn)中提出的3DCP有限元建模。

主要?jiǎng)?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(jī)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(jī)械臂對(duì)圓頂和沙漏殼等復(fù)雜形狀進(jìn)行全面打印實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
  

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

可擴(kuò)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(shì)，包括減少碳排放、縮短打印時(shí)間，以及在平衡生產(chǎn)力和環(huán)境績(jī)效方面實(shí)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(jì)軟件 Grasshopper 和 Karamba 兼容的設(shè)計(jì)到打印工作流程，從而能夠集成到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)環(huán)境中。