新研究发现通过3D打印混凝土的厚度优化可节省25％的材料

2025年5月16日，南极熊获悉，法国研究团队宣布在 3D 打印混凝土材料的可持续利用方面取得突破，引入了一种新颖的优化框架，可在不影响结构完整性的情况下减少高达 25% 的材料使用量。

这项研究由巴黎高科桥的 Romain Mesnil 博士领导，并以题为“Thickness optimisation in 3D printed concrete structures”的论文发表在《建筑自动化》杂志上，表明通过机器人速度动态调整的可变层厚度可以显著减少混凝土壳体结构增材制造中的打印时间和环境影响。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.autcon.2025.106076

Mesnil博士说道：“这项研究表明，通过利用机器人打印的功能，我们可以超越固定的层设计，并根据数据做出决定，确定真正需要的材料。这是迈向更环保、更智能的建筑的一大进步。”

3DCP工艺优化的新维度

这项工作对3D 混凝土打印(3DCP)的现状提出了挑战，由于建模复杂性和缺乏实时优化工具，大多数系统依赖于均匀的壁厚。研究团队采用了一种基于壳单元的轻量级有限元分析（FEA）方法，在保持精度的同时缩短了计算时间。他们的框架包括一个将工艺参数与材料沉积连接起来的参数优化程序、用于控制厚度梯度的贝塞尔样条函数以及用于确保机械可靠性的集成数值分析。研究人员通过使用 XTreeE 的机械臂系统对复杂形状进行全尺寸打印实验，验证了他们的方法。

△文献中提出的3DCP有限元建模。

主要创新包括：

• 将工艺参数（流速、喷嘴速度）与材料沉积曲线联系起来的参数优化程序。
• 使用贝塞尔样条线来控制打印层的厚度渐变。
• 集成数值收敛分析确保机械可靠性，防止屈曲和失效。
• 通过使用 XTreeE 的 2K砂浆系统和机械臂对圆顶和沙漏壳等复杂形状进行全面打印实验进行验证。
  

经过多次测试表明，与传统方法相比，可变厚度打印可减少高达25%的混凝土用量，并降低20%的成本。沙漏形测试结构表现出色，可变厚度设计在材料效率、时间和成本指标方面均优于恒定厚度设计。

可扩展的可持续建筑之路

这份优化框架为制造商带来了诸多潜在优势，包括减少碳排放、缩短打印时间，以及在平衡生产力和环境绩效方面实现灵活性。为了便于应用，研究人员开发了一种与常用参数化设计软件 Grasshopper 和 Karamba 兼容的设计到打印工作流程，从而能够集成到现有的设计环境中。