Computational Design for 3D Concrete Printing

QC 20260520

Abstract

Övergången från traditionell gjuten betong till 3D-betongutskrift (3D Concrete Printingeller 3DCP) utgör ett paradigmskifte inom betongteknik genom att ersätta formbundengjutning med direkt deponering av färsk betong lager för lager enligt en digital modell.Tekniken utvidgar betongbyggandets möjligheter, framför allt genom att möjliggöratillverkning av innovativa och komplexa geometrier i en automatiserad process. Utöverden formmässiga friheten minskar den digitaliserade processens behov av manuellt arbete,ökar produktiviteten, förbättrar arbetsmiljön och förenklar samverkan mellan olikaaktörer, vilket minskar risken för mänskliga fel och höjer byggkvaliteten. Trots fortsattutveckling av utskriftsmaterial och utrustning är systematiska metoder för att utnyttjadesignmöjligheterna fortfarande underutvecklade. Denna begränsning beror till stor delpå klyftan mellan designprocessen och genereringen av tillverkningsinstruktioner.Denna avhandling syftar till att utvidga designomfånget för 3DCP genom att behandlautskriftsbanor som ett designobjekt och därmed göra det till den huvudsakliga länkenmellan beräkningsbaserad design och robotstyrd tillverkning. För detta ändamål utvecklasoch valideras integrerade arbetsflöden, från design till tillverkning, för styrning, analysoch optimering av utskriftbanor med hänsyn till material- och processbegränsningar.Metodologiskt är arbetet förankrat i skärningspunkten mellan arkitektonisk designoch byggnadsteknik, med fokus på beräkningsbaserad design och styrning för 3DCP.Arbetsflödena förfinas iterativt genom simulering, digital prototypframställning och tillverkningstester.Strukturella simuleringar och simuleringar av stationär värmetransportintegreras i samma miljö och resultaten återförs till geometri och utskriftbanor. Avhandlingenpresenterar ett beräkningsbaserat designramverk baserat på grundläggandegeometriska operationer för att förbättra strukturell och termisk prestanda samt graderaegenskaper längs den 3D-utskrivna elementet. Genom att översätta analysbaserade fälttill motsvarande modulering av utskriftsparametrar undersöker studien olika metoder förmaterialoptimering och för att skapa funktionella gradienter genom hela det utskrivnaelementet. Detta möjliggör ett bredare designomfång, optimering av utskriftsparametraroch strukturell optimering inom processens begränsningar.Den konceptuella grunden för arbetet med gradering etableras genom en översikt avfunktionellt graderade material (FGM) tillämpade på 3DCP (Paper I), där tre vägar tillfunktionellt graderad betong identifieras: varierande blandningsförhållanden, varierandetillsats av partiklar och varierad förtätning. Avhandlingen tillhör den tredje vägen,där gradering uppnås genom den rumsliga organiseringen av deponerat materialpå mesoskala snarare än genom förändringar i materialsammansättningen. Bidragenomfattar integrerade arbetsflöden för styrning av utskriftbanor som en primär designoperation,från egenskapsstyrning på ytnivå genom varierande utskriftsbredd (Paper II)till spänningsinformerad intern materialfördelning genom topologioptimering (Paper III). Laboratorietester av topologioptimerade oarmerade 3DCP-balkar visar en betydandeökning av lastkapacitet i förhållande till vikt jämfört med en konventionell referensmed triangulärt fyllnadsmönster. Metoderna utvidgas till makroskopisk porositet genomprocedurgenererade utskriftsmönster som skapar porösa och permeabla strukturer påfilamentnivå (Paper IV). De tillämpas även på rumslig gradering genom en metod förmappning mot en styrande yta, där utskriftsparametrar tilldelas som ett kontinuerligtfält oberoende av den underliggande geometrin (Paper V). I ett tillämpad undersökningav hybrida fasadelement kombineras återanvända prefabricerade betongelement med3D-utskrivna ytskikt, vilket enligt numeriska simuleringar minskar den förväntadevärmegenomgångskoefficienten samtidigt som materialanvändningen hålls konstant(Paper VI). Sammantaget visar resultaten att 3DCP:s tillämpningsområde kan utvidgas frånformspecifikation till styrning av materialegenskaper på mesoskala, vilket möjliggörgraderade strukturer med förbättrade strukturella och termiska prestanda inom ramenför kontinuerlig extrudering.

Link to DiVA