工程师利用拓扑优化来克服混凝土3D打印技术的“限制”

皇家墨尔本理工大学和河北工业大学的工程师提出了一种优化混凝土3D打印结构拓扑的新方法。

据称，该团队的过程是对双向进化结构优化或“BESO”的一种新尝试，可以创建独特的自支撑模型，然后可以通过连续挤压来实现。研究人员表示，随着进一步的研发，他们的方法可以让建筑3D打印机用户克服一些限制，使他们无法最大限度地利用该技术的优势。

“混凝土3D打印 (3DCP) 和拓扑优化之间的集成能够制造结构高效的组件，而无需昂贵的模板和密集的劳动力，”该团队在他们的论文中说。“然而，3DCP的制造限制阻碍了这两个领域的整合。在我们的论文中，我们解决了 BESO 框架内 3DCP 的各种制造限制。”


一个3D打印喷头在逐层建造建筑的过程中

拓宽拓扑优化

通常，术语“拓扑优化”用于描述生成式设计技术，其中使用数学公式在给定模型中分配材料，以优化其几何形状。通过使用户能够识别可以在不影响对象性能的情况下去除材料的区域，此过程通常允许迭代更轻、更坚固的部件。

在3D打印领域，拓扑优化已经使用了一段时间，Autodesk 和 nTopology 等公司提供定制工具，专门用于增强 CAD 模型。在更具实验性的层面上，列日大学和代尔夫特理工大学等工程师还开发了一种优化大型3D打印的方法，克服了过程中的不兼容问题。

然而，根据RMIT和河工大研究人员的说法，拓扑优化已被证明难以集成到建筑3D打印中。他们说，部分原因是由于混凝土结构的紧密悬垂很容易出现裂缝和收缩，但他们补充说，这也归因于这些打印机中喷嘴运动和材料进料的分离，这可能导致堵塞。


可以修改桁架厚度的各种方式

引入“BESO”方法

为了克服这种悬垂和沉积问题，研究人员提出了一种新的BESO工艺。该框架涉及使用分层灵敏度方案来保证设计在打印方向上的垂直对齐，从而能够创建自支撑部件。通过域分割，该过程还将对象划分为可对齐的部分。

通过这样做，该团队的方法基本上允许为每个部分分配一个打印方向，从而促进更可定制的模块化结构模式。除了为混凝土3D打印带来增强的设计流程外，工程师们还开发了一种连续挤压约束，旨在确定最短的打印路线，并解锁完整的沉积。

为了测试他们的方法的有效性，研究人员对其进行了一系列数值研究，使用悬臂（通常用于研究拓扑优化的悬臂）作为基准。一旦他们完善了他们的算法，团队发现他们能够部署它以迭代地生成垂直对齐的对象设计，包括拓扑优化的椅子。

虽然这个构建展示了工程师在创建高质量结构方面的潜力，但他们表示，由于喷嘴尺寸的限制，需要对体积分数较低的其他设计进行后处理。因此，该团队表示，将来，将应力约束集成到他们的算法中可以让用户获得更准确的模拟，并实现新优化的几何形状。


德克萨斯州奥斯汀的一排 ICON 3D 打印房屋