面向混凝土3D打印的拓撲優化設計
時間：2022-06-24 15:14 來源：混凝土3D打印的拓撲優化設計 作者：admin 閱讀：次
在當前人力成本不斷提高、勞動力越發緊張的形勢下, 如何使用智能化建造技術來縮短工期、減少工業廢料、降低人力成本成為了建筑行業的焦點。混凝土3D打印(3D
concrete printing, 3DCP)將增材制造技術與前沿材料工藝相結合, 使用逐層堆積的方式進行三維布料,
實現了免模板施工。通過結合數字建模、無模化、裝配式施工，混凝土3D打印減低了復雜結構的施工難度與成本, 為拓撲優化應用于建筑設計提供了途徑。然而，傳統拓撲優化設計通常由于無法直接滿足混凝土3D打印的各種要求，而導致打印效率低、質量差、甚至打印失敗。謝億民院士團隊近日發表在增材制造領域國際頂級期刊《AdditiveManufacturing》的論文對該問題進行了深入研究，提出了一種面向混凝土3D打印的拓撲優化新算法,
在保持設計結構性能的同時提高了整體打印質量與效率。
謝億民院士團隊在其首創的雙向漸進結構優化（Bi-directional Evolutionary Structural Optimization, BESO）技術的基礎上，將以下四種施工約束引入設計流程中：
橫向一筆畫約束確保了設計的橫向連續性，每一打印層均為連續閉合結構。配合團隊在前期工作中提出的一筆畫路徑算法，打印可實現全局連續，有效提高了打印效率與質量。
裝配式設計約束允許設計者將設計區域劃分為不同模塊。每一模塊可根據其功能或尺寸采用不同角度打印，以提高整體打印效率。
橫向各向同性約束考慮了混凝土3D打印不同方向上的材料強度差異，以提高優化結果的準確性。
△ 圖一：懸臂梁設計域
△ 圖二：將設計域分為兩個裝配式模塊后獲得的優化結果：（a）以圖形中心線為打印底板，向左右兩側打印（b）以圖形兩側為打印底板，向中心線打印
研究團隊以圖一所示的經典懸臂梁為算例進行了優化設計。以XZ平面為對稱面，設計域被劃分為兩個裝配式模塊。圖二a和b采用不同打印方向：
a：以圖形中心線為打印底板，每個模塊向外側打印
b：以圖形外側為打印底板，每個模塊向中心線打印
圖二中的優化結果滿足了施工約束，確保了每個模塊在豎向和橫向上的連續性。相較傳統BESO優化結果，增加約束后的設計在整體剛度上保持一致，保證了結構的高效性。在此之上，優化結果可使用一筆畫算法規劃路徑，確保高效不間斷打印。
研究團隊使用新算法對圖四中的座椅進行了優化設計。為了滿足功能需求，我們將座椅表面規定為非設計域，并對內部傳力區域進行優化。為了增加打印效率，團隊以XZ平面為對稱軸將設計域劃分為兩個裝配式模塊，獲得了圖五所示的優化結果。配合一筆畫路徑算法，每個模塊在打印中均實現了自支撐連續打印，最終完成了圖六所示的拓撲優化混凝土3D打印座椅。
△ 圖四：拓撲優化座椅設計域
△ 圖五：優化結果：（左）單一裝配式模塊（右）雙模塊拼接后結果；為了展現內部細節，圖中一側透明
△ 圖六：混凝土3D打印結果：（a）拼裝前單一裝配式模塊（b）拼裝后整體結果
該研究提出了面向混凝土3D打印的拓撲優化新方法，可應用于智能化建筑設計。
本研究課題由博士生畢明昊完成主要工作，經謝億民院士和JonathanTran博士悉心指導，并獲得河北工業大學馬國偉教授、博士生夏令偉對混凝土3D打印實驗提供的指導與幫助。該項研究工作已發表在《Additive Manufacturing》期刊上 (Q1, 影響因子:10.998)。
論文原文：M. Bi, P. Tran, L. Xia, G. Ma, Y.M. Xie, Topology optimization for 3D concrete printing with various manufacturing constraints, Additive Manufacturing 57 (2022) 102982. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102982.
謝億民院士團隊在其首創的雙向漸進結構優化（Bi-directional Evolutionary Structural Optimization, BESO）技術的基礎上，將以下四種施工約束引入設計流程中：
- 豎向自支撐（Self-support）約束
- 橫向一筆畫（Continuous extrusion）約束
- 裝配式設計（Modular construction）約束
-
橫向各向同性（Tranverse isotropic）約束
橫向一筆畫約束確保了設計的橫向連續性，每一打印層均為連續閉合結構。配合團隊在前期工作中提出的一筆畫路徑算法，打印可實現全局連續，有效提高了打印效率與質量。
裝配式設計約束允許設計者將設計區域劃分為不同模塊。每一模塊可根據其功能或尺寸采用不同角度打印，以提高整體打印效率。
橫向各向同性約束考慮了混凝土3D打印不同方向上的材料強度差異，以提高優化結果的準確性。
△ 圖一：懸臂梁設計域
△ 圖二：將設計域分為兩個裝配式模塊后獲得的優化結果：（a）以圖形中心線為打印底板，向左右兩側打印（b）以圖形兩側為打印底板，向中心線打印
研究團隊以圖一所示的經典懸臂梁為算例進行了優化設計。以XZ平面為對稱面，設計域被劃分為兩個裝配式模塊。圖二a和b采用不同打印方向：
a：以圖形中心線為打印底板，每個模塊向外側打印
b：以圖形外側為打印底板，每個模塊向中心線打印
圖二中的優化結果滿足了施工約束，確保了每個模塊在豎向和橫向上的連續性。相較傳統BESO優化結果，增加約束后的設計在整體剛度上保持一致，保證了結構的高效性。在此之上，優化結果可使用一筆畫算法規劃路徑，確保高效不間斷打印。
△ 圖三：使用一筆畫算法對優化結果進行路徑規劃
研究團隊使用新算法對圖四中的座椅進行了優化設計。為了滿足功能需求，我們將座椅表面規定為非設計域，并對內部傳力區域進行優化。為了增加打印效率，團隊以XZ平面為對稱軸將設計域劃分為兩個裝配式模塊，獲得了圖五所示的優化結果。配合一筆畫路徑算法，每個模塊在打印中均實現了自支撐連續打印，最終完成了圖六所示的拓撲優化混凝土3D打印座椅。
△ 圖四：拓撲優化座椅設計域
△ 圖五：優化結果：（左）單一裝配式模塊（右）雙模塊拼接后結果；為了展現內部細節，圖中一側透明
△ 圖六：混凝土3D打印結果：（a）拼裝前單一裝配式模塊（b）拼裝后整體結果
該研究提出了面向混凝土3D打印的拓撲優化新方法，可應用于智能化建筑設計。
本研究課題由博士生畢明昊完成主要工作，經謝億民院士和JonathanTran博士悉心指導，并獲得河北工業大學馬國偉教授、博士生夏令偉對混凝土3D打印實驗提供的指導與幫助。該項研究工作已發表在《Additive Manufacturing》期刊上 (Q1, 影響因子:10.998)。
論文原文：M. Bi, P. Tran, L. Xia, G. Ma, Y.M. Xie, Topology optimization for 3D concrete printing with various manufacturing constraints, Additive Manufacturing 57 (2022) 102982. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102982.
(責任編輯：admin)
Himed評估不同噴砂磨料在3
粉末粒徑可以控制增材制造
Divergent公司以3D打印技
浙大口腔醫學院：生物3D打
新型類器官樣神經血管球促
推動粘結劑噴射（鑄造/金最新內容
選區激光熔化增材
大型聚合物3D打印
6K Additive最新
如何打造增材制造
從實驗室走向生產
3D打印在口腔修復熱點內容
