用于拓扑优化的钢筋混凝土墙的3D打印模板
在这项研究中，作者专注于两个技术领域：3D打印和计算拓扑优化（一种用于优化结构几何的数学技术）。将两者结合使用时，显着的好处包括能够构建重量更轻，在美学和建筑上令人愉悦并且体积更小的结构。该团队建立了两个小规模的样本结构来测试其构想，特别是将3D打印模板用于复杂的钢筋混凝土（RC）结构。
（a）西班牙布拉内斯（2002年）（未建成）构建的拓扑优化结构示例（Januszkiewicz和Banachowicz，2017年）; （b）2004年，日本高atsu（2016年，Donofrio）； （c）卡塔尔，多哈，2008年（杰维特，2018年）； （d）瑞士洛桑，2008年（Januszkiewicz和Banachowicz，2017年）
研究人员注意到计算出的TO允许使用更高效和“吸引人的”结构，因此，由于以下原因，该技术迄今在汽车和航空航天领域以外的行业中仍继续构成挑战：
.拓扑优化对构建不规则和非线性设计的挑战
.难以应用TO算法，通常将均质材料用于钢筋混凝土（RC）结构
.拓扑优化的RC结构的测试数据不足，导致对优化结构的刚度，强度和变形行为的了解有限
作者建议不要使用其他替代技术或完全避免使用模板，而建议使用小型3D打印机创建模板。
拓扑优化（a）具有四个支撑的UHPFRC平板（Jipa等，2016）和（b）压缩下的PC梁测试（Jewett和Carstensen，2019）
几位研究人员研究了不同的增材制造技术，以有效地构建复杂的结构。这些新兴技术也可以加快施工过程。目前，可以使用D形工艺，轮廓加工或混凝土印刷直接构建复杂的拓扑优化结构。”
模板制造设备（a）机器人CNC铣削，（b）机器人热线切割，（c）机器人砂线切割，（Sondergaard等人，2018），（d）3D打印机（Peters，2014），（ e）基于25驱动器的柔性模具（Raun和Kirkegaard，2014），（f）柔性织物模板（Hawkins等，2016）和（g）网状模具，该模具使用RC构件的均匀加固作为模板并放置混凝土在网格内部（Hack等，2017）
在实验过程中，研究人员构建了控制墙（CW）和优化墙（OW）作为样本，旨在展示通过3D打印创建模板的潜力。“这两个标本都用底块和顶块建造。基础块模拟了结构墙的基础，并用于将墙固定到结构实验室的坚固地板上。”研究人员说。 “一个55千转的液压执行器连接到顶部，以施加侧向载荷。在基块上方以60英寸的高度施加横向力，导致两壁的纵横比均为4。
“对照样品的设计应使其抗弯强度受到使用抗压强度为6,000 psi和36级钢筋的混凝土的挠曲限制。抗弯钢筋由靠近墙边缘的每个边界单元中的十个2号钢筋组成。由两根12号金属丝（直径为0.106英寸）和3英寸间距组成的垂直腹板钢筋也对墙体的挠曲强度有轻微的贡献。”
控制墙标本的钢筋细节
底部和顶部砌块用标准混凝土浇筑，而优化的墙体用强度为12000 psi的高强度混凝土浇筑。这种混合物的目的是提供更大的强度，并弥补由于开口造成的截面损失。
HCL处理之前（左）和之后（右）的钢筋
PLA用于优化墙体的模板制造。
在三点弯曲测试下的3D打印测试样品。印刷样品后，各层之间的接合点为（a）平行于纵轴的垂直平面和（b）垂直于纵轴的垂直平面
使用16×16基板，总打印高度为21英寸的3D打印机制造优化的墙：
“始终使用0.125英寸的均匀模板壁厚。该尺寸是根据初步试验选择的。还选择了厚度，以使打印一个模板的一部分所需的体积小于一个用于打印模板的材料聚乳酸（PLA）线轴的体积。”
用于控制的顶部块（左）和优化的墙（右）的支撑结构/框架和模板
优化RC结构最严重的限制之一是，研究人员发现他们无法对用于优化的样品使用钢筋。“通过使用混合规则来定义用于分析的模型中有效复合材料的刚度和密度，可以适应算法的这些特征。”但是，这种方法没有提供完全优化的复合系统。可以合理地预期，以某种方式考虑离散钢筋存在的算法会产生不同的优化几何形状。”研究人员总结说。
在设计为具有至少6个基点强度的优化截面中，在6个基点的横向力下的主应变的体积比为（a）0.51，（b）0.65，（c）0.74，（d）0.84和（e）0.92（元件类型C3D10，0.5英寸网眼尺寸）“未来的工作可能旨在为承受载荷超过导致混凝土开裂或钢筋屈服的载荷的钢筋混凝土结构提供优化的几何形状。 RC结构拓扑优化的挑战在于不能在模型中包括使用离散钢筋，而必须使用线性材料属性。通过使用用户定义的复合材料来定义算法的这些特征，以定义用于分析的模型中等效材料的刚度和密度。但是，此方法无法在开裂和屈服后提供完全优化的复合系统，因为在优化过程中未考虑钢筋的放置以及与开裂相关的应力的重新分布。可以合理地预期，以某种方式考虑离散钢筋和混凝土裂缝的存在的算法将产生不同的优化几何形状。”
中国3D打印网编译
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