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，可在不影響結構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 博士領導，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)調整的可變層厚度可以顯著減少混凝土殼體結構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雜形狀進行全面打印實驗進行驗證。
  

經過多次測試表明，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。沙漏形測試結構表現(xiàn)出色，可變厚度設計在材料效率、時間和成本指標方面均優(yōu)于恒定厚度設計。

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，以及在平衡生產力和環(huán)境績效方面實現(xiàn)靈活性。為了便于應用，研究人員開發(fā)了一種與常用參數(shù)化設計軟件 Grasshopper 和 Karamba 兼容的設計到打印工作流程，從而能夠集成到現(xiàn)有的設計環(huán)境中。