新研究发现通过厚度优化可节省25%的3D打印混凝土材料

法国研究人员开发了一种新的3D打印混凝土优化框架，可在保持结构完整性的同时减少高达25%的材料使用量。这项研究发表在《建筑自动化》杂志上，由巴黎高科桥学院的Romain Mesnil博士领导，重点研究通过在打印过程中调整机器人速度来实现可变的层厚。该方法与通常采用均匀壁厚的传统3D混凝土打印方法截然不同。

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“这项研究表明，通过利用机器人打印的功能，我们可以超越固定的层设计，并根据数据做出决定，确定真正需要的材料，”梅斯尼尔博士说道。“这是迈向更环保、更智能的建筑的一大进步。”

该团队的方法采用了一种轻量级有限元分析方法，该方法基于壳单元，在保持精度的同时缩短了计算时间。他们的框架包括一个将工艺参数与材料沉积连接起来的参数优化程序、用于控制厚度梯度的贝塞尔样条函数以及用于确保机械可靠性的集成数值分析。研究人员通过使用 XTreeE 的机械臂系统对复杂形状进行全尺寸打印实验，验证了他们的方法。

测试表明，与传统方法相比，可变厚度打印可减少高达25%的混凝土用量，并降低20%的成本。沙漏形测试结构表现出色，可变厚度设计在材料效率、时间和成本指标方面均优于恒定厚度设计。

该优化框架为制造商带来了诸多潜在优势，包括减少碳排放、缩短打印时间，以及在平衡生产力和环境绩效方面实现灵活性。为了便于应用，研究人员开发了一种与常用参数化设计软件 Grasshopper 和 Karamba 兼容的设计到打印工作流程，从而能够集成到现有的设计环境中。

来源：pbctoday.co.uk