In an article recently published in the journalAdditive Manufacturing，研究人员讨论了通过使用3D混凝土打印的基于工具路径设计来开发碳效率建筑结构的实用性。
学习：基于工具路的设计，用于3D混凝土打印碳效率高的建筑结构。图片来源：zapp2photo/shutterstock.com
背景
在未来的几年中，不断增长的全球人口，再加上发展中国家的渐进性城市化，将推动对混凝土建筑物的需求。结构零件的设计优化被称为混凝土和水泥值链中的主要杠杆之一，以减少CO2排放，以及材料组成和生产过程的进展。
由于制造复杂和定制的模板的挑战和费用，很少应用传统混凝土建筑项目中的结构优化方法。添加剂制造（AM）技术改进的制造自由和自动化可能性可以帮助减少温室气体（GHG）的排放和成本，同时还可以为更合适的具体构造元素提供更具创新的设计思想。
尤其是3D混凝土印刷（3DCP）正在建筑业务中侵入。3DCP正在努力在材料组成和设备方面标准化其制造过程。2020欧洲杯下注官网但是，数字3D建模工具中的发展尚未匹配这一进展。结果，设计输出仅限于简单的几何形状，这些几何形状无法完全使用3DCP固有的正式灵活性。
传统3DCP设计过程中的开发量表：（i）全局几何设计的设计；（ii）材料分布的工程；（iii）打印工具路径的规划。图片来源：Breseghello，L等人，添加剂制造
关于研究
In this study, the authors proposed a data-driven toolpath-based design approach for 3DCP, which was used to fabricate horizontal architectural structures in a single continuous printing process. The issue of continuous 3D printing in concrete structural beams was addressed by optimization of the design-to-fabrication workflow using a performance-based printing toolpath design method.
该团队描述了一个创新的工作流程，用于设计和制造3DCP结构，该结构在多个开发阶段（即通过速度变化，打印路径的定义和知情的增强栏放置）结合了有限元（FE）分析。通过设计，制造和测试三个梁设计，逐渐包括提出的技术，可以验证工作流程。
The researchers provided a unique method for designing carbon-efficient 3DCP horizontal structures that integrated toolpath-based modeling and structural optimization procedures. An additive design method was proposed for load-bearing and carbon-efficient horizontal structures. Tension reinforcement was incorporated into 3DCP elements during the printing process. The designed process focused on the print route to include a collection of geometric and structural optimization procedures. The proposed modeling paradigm was put to the test on a variety of building-scale structural beams with various sectional configurations.
观察
B1的最大容量平均为43.7 kN，其强度与重量比为0.145。对B2的测试产生的平均最大容量为49.9±4.2 kN，重量比为0.216，比B1大33％。B3平均最大结构容量为79.5±0.9 kN，强度重量比为0.401，比B1高约178％，比B2高85％。
3DCP由于缺乏模板和材料的放置而具有固有的优势。但是，在施工规模上，使用3DCP的有效设计解决方案只有一些实例和应用。所提出的工作流程的影响，在整个光束和最轻质测试的光束之间增强了三倍的性能，可以看到三种设计的强度与重量比。
The increased pressure on the concrete industry to reduce environmental impacts, enhance productivity, safety, and quality, and respond to the worldwide need for new settlements necessitated rethinking design and manufacturing methods in favor of modern automated systems. 3DCP had the potential to automate the manufacturing of extremely efficient concrete structures while it also contributed to the construction industry's long-term sustainability.
通过案例研究的效率证明了所提出的技术的有用性，该效率通过设计溶液的强度和重量之间的比率进行了评估。研究结果强调了将设计方法与制造技术相匹配的必要性，这为更具结构和环境声音的混凝土结构铺平了道路。
打印测试探索数据信息图层的设计，线性地改变了填充曲线的密度和层的宽度，并使用（x+y）坐标值梯度。图片来源：Breseghello，L等人，添加剂制造
结论
总之，这项研究讨论了第一个简单的机械模型的发展，以理解3DCP梁的结构行为并预测所需的剪切钢筋量。使用3DCP固有的形式自由，拟议的方法允许设计和开发定制设计的结构效率的部分。
The team developed a new design-to-manufacturing workflow for structurally efficient beam elements that was adapted to the robotic 3DCP fabrication technology, utilizing its major advantages and addressing key barriers to its implementation in industrial applications. The design approach of the presented work relates to the development of the machining toolpath, where fabrication limitations, performance, and aesthetics were linked.
The authors believe that a design approach customized for 3DCP opens the door to more carbon-efficient and environmentally friendly production processes and structures. They also mentioned that the proposed approach will be extended to three-dimensional design spaces, other structural elements, and functionally hybrid constructions in the future.
来源
Breseghello，L.，Naboni，R。，基于工具路径的设计，用于3D混凝土建筑结构的3D混凝土打印。增材制造102872（2022）。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422002718
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