來自皇家墨爾本理工大學和河北工業(yè)大學的工程師們提出了一種新的方法來優(yōu)化混凝土3D打印建筑的拓撲結構。

據(jù)悉，研究團隊提出的這種新方法可以對雙向打印結構（BESO）進行優(yōu)化，然后通過連續(xù)擠壓實現(xiàn)創(chuàng)建獨特的自支撐模型。研究人員表示，隨著新方法進一步的研發(fā)，可以幫助建筑3D打印機用戶最大化發(fā)揮該技術的優(yōu)勢。

該團隊在他們的論文中說："混凝土3D打?。?DCP）和拓撲優(yōu)化之間的整合使結構上高效的部件的制造不需要昂貴的模板和密集的勞動力。然而，3DCP的制造限制正在阻礙這兩個領域之間的整合。在我們的論文中，我們在BESO框架內解決了3DCP的各種制造限制。"

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

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

相關論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221486042200375X

拓寬拓撲優(yōu)化技術優(yōu)勢

一般來說，術語 "拓撲優(yōu)化"被用來描述一種生成設計技術，在這種技術中，數(shù)學公式被用來在一個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，這個過程通常允許迭代出更輕、更強的部件。

在3D打印領域，拓撲優(yōu)化已經(jīng)使用了一段時間，AutoDesk和nTopology等公司提供定制工具，專門用于增強CAD模型。在更多的實驗層面上，列日大學和代爾夫特理工大學的工程師們也開發(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和河北的研究人員說，現(xiàn)實中拓撲結構優(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，但他們補充說，這也是由于這些打印機中的噴嘴運動和材料供給的分離，這可能導致堵塞。

△可以修改桁架厚度的各種方式。圖片來自列日大學。

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。這個框架涉及使用分層敏感度方案來保證設計在打印方向上的垂直對齊，其方式能夠創(chuàng)建自支撐的部件。通過領域分割，該過程還可以將物體分割成可對齊的部分。

通過這樣做，新方法基本上允許每個部分被分配一個打印方向，促進了更多可定制的模塊化結構模式。除了為混凝土3D打印帶來增強的設計過程外，工程師們還開發(fā)了一個連續(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。

為了測試他們的方法的有效性，研究人員對其進行了一系列的數(shù)值研究，使用懸臂（經(jīng)常用于驗證拓撲優(yōu)化）作為一個基準。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齊的物體設計，包括一個拓撲優(yōu)化的椅子。

雖然這項工作展示了工程師們的方法在創(chuàng)造高質量結構方面的潛力，但他們說，由于噴嘴尺寸的限制，那些低體積分數(shù)原料的設計需要進行后期處理。因此，該團隊表示，在未來，將應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)開始進入住房市場。照片來自ICON公司。

推進混凝土3D打印的發(fā)展

混凝土3D打印在行業(yè)內被廣泛認為是比傳統(tǒng)建筑方法更環(huán)保、更便宜。盡管赫瑞瓦特大學的一個團隊現(xiàn)在對混凝土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行大量研究，以優(yōu)化該技術的性能。

今年早些時候，南洋理工大學的工程師開發(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40厘米高的混凝土長凳，證明它在創(chuàng)建承重結構方面具有潛力。

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