建筑工程師利用拓?fù)鋬?yōu)化來突破混凝土3D打印技術(shù)的限制

2022年6月22日，南極熊獲悉，來自皇家墨爾本理工大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)的工程師們提出了一種新的方法來優(yōu)化混凝土3D打印建筑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)提出的這種新方法可以對(duì)雙向打印結(jié)構(gòu)（BESO）進(jìn)行優(yōu)化，然后通過連續(xù)擠壓實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建獨(dú)特的自支撐模型。研究人員表示，隨著新方法進(jìn)一步的研發(fā)，可以幫助建筑3D打印機(jī)用戶最大化發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中說："混凝土3D打印（3DCP）和拓?fù)鋬?yōu)化之間的整合使結(jié)構(gòu)上高效的部件的制造不需要昂貴的模板和密集的勞動(dòng)力。然而，3DCP的制造限制正在阻礙這兩個(gè)領(lǐng)域之間的整合。在我們的論文中，我們?cè)贐ESO框架內(nèi)解決了3DCP的各種制造限制。"

△CyBe的混凝土3D打印機(jī)正在在逐層建造建筑物。照片來自CyBe建筑公司。

更詳細(xì)的研究結(jié)果可以他們的論文，題為 "Topologyoptimization for 3D concrete printing with various manufacturing constraints/具有各種制造約束條件的3D混凝土打印的拓?fù)鋬?yōu)化"。這項(xiàng)研究是由畢明浩、PhuongTran、夏凌偉、馬國偉和謝毅敏共同撰寫的。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 2200375X?via%3Dihub

拓寬拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)優(yōu)勢(shì)

一般來說，術(shù)語 "拓?fù)鋬?yōu)化"被用來描述一種生成設(shè)計(jì)技術(shù)，在這種技術(shù)中，數(shù)學(xué)公式被用來在一個(gè)特定的模型中分配材料，以優(yōu)化其幾何形狀。通過使用戶能夠確定在不影響物體性能的情況下可以移除材料的區(qū)域，這個(gè)過程通常允許迭代出更輕、更強(qiáng)的部件。

在3D打印領(lǐng)域，拓?fù)鋬?yōu)化已經(jīng)使用了一段時(shí)間，Autodesk和nTopology等公司提供定制工具，專門用于增強(qiáng)CAD模型。在更多的實(shí)驗(yàn)層面上，列日大學(xué)和代爾夫特理工大學(xué)的工程師們也開發(fā)了一種優(yōu)化大型3D打印的手段，在此過程中克服了不兼容的問題。

然而，據(jù)皇家墨爾本理工大學(xué)和河北的研究人員說，現(xiàn)實(shí)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化很難融入建筑3D打印中。他們說，這部分是由于具有緊密懸垂的混凝土建筑容易出現(xiàn)裂縫和收縮，但他們補(bǔ)充說，這也是由于這些打印機(jī)中的噴嘴運(yùn)動(dòng)和材料供給的分離，這可能導(dǎo)致堵塞。

△可以修改桁架厚度的各種方式。圖片來自列日大學(xué)。

引入 "BESO "方法

為了克服這種懸空和沉積問題，研究人員提出了一種新的BESO工藝。這個(gè)框架涉及使用分層敏感度方案來保證設(shè)計(jì)在打印方向上的垂直對(duì)齊，其方式能夠創(chuàng)建自支撐的部件。通過領(lǐng)域分割，該過程還可以將物體分割成可對(duì)齊的部分。

通過這樣做，新方法基本上允許每個(gè)部分被分配一個(gè)打印方向，促進(jìn)了更多可定制的模塊化結(jié)構(gòu)模式。除了為混凝土3D打印帶來增強(qiáng)的設(shè)計(jì)過程外，工程師們還開發(fā)了一個(gè)連續(xù)擠壓約束，旨在確定最短的可能打印路線，并解鎖無節(jié)制的沉積。

為了測(cè)試他們的方法的有效性，研究人員對(duì)其進(jìn)行了一系列的數(shù)值研究，使用懸臂（經(jīng)常用于驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化）作為一個(gè)基準(zhǔn)。研究小組完善算法后，發(fā)現(xiàn)他們能夠部署它來迭代生成垂直對(duì)齊的物體設(shè)計(jì)，包括一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化的椅子。

雖然這項(xiàng)工作展示了工程師們的方法在創(chuàng)造高質(zhì)量結(jié)構(gòu)方面的潛力，但他們說，由于噴嘴尺寸的限制，那些低體積分?jǐn)?shù)原料的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行后期處理。因此，該團(tuán)隊(duì)表示，在未來，將應(yīng)力約束整合到他們的算法中，可以讓用戶獲得更精確的模擬，并實(shí)現(xiàn)新的優(yōu)化的幾何形狀。

△ICON的3D打印房屋現(xiàn)在已經(jīng)開始進(jìn)入住房市場(chǎng)。照片來自ICON公司。

推進(jìn)混凝土3D打印的發(fā)展

混凝土3D打印在行業(yè)內(nèi)被廣泛認(rèn)為是比傳統(tǒng)建筑方法更環(huán)保、更便宜。盡管赫瑞瓦特大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在對(duì)混凝土3D打印和這些擬議的好處表示懷疑，但其他許多地方仍在進(jìn)行大量研究，以優(yōu)化該技術(shù)的性能。

今年早些時(shí)候，南洋理工大學(xué)的工程師開發(fā)了一種新的可持續(xù)的玻璃灌注3D打印材料。他們的新型混凝土使用玻璃取代日益稀缺的天然砂，迄今已成功地建造了一個(gè)40厘米高的混凝土長凳，證明它在創(chuàng)建承重結(jié)構(gòu)方面具有潛力。

在新興的商業(yè)建筑3D打印領(lǐng)域，像ICON這樣的公司到目前為止很少提及拓?fù)鋬?yōu)化，但仍然設(shè)法完成了一些大規(guī)模的建設(shè)。該公司在2021年出售了其在美國的第一個(gè)3D打印房屋，現(xiàn)在已經(jīng)承諾從今年開始3D打印一個(gè)100個(gè)房屋的社區(qū)。