[论文解读] Navigating the Digital Chain in Concrete 3D Printing

Ali El Hage, Elodie Paquet+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Innovations in Concrete and Construction Materials被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于3DExperience平台的统一数字链，用于混凝土3D打印（C3DP），以实现设计、路径生成、仿真和后处理流程的整合。通过将参数化建模、增材制造设计（DfAM）原则与基于ABAQUS的数值仿真相结合，并引入事件驱动的材料激活机制，该工作流能够准确预测结构行为与破坏模式，从而提升设计优化水平与打印质量。

ABSTRACT

The advancement of concrete 3D printing (C3DP) technology has revolutionized the construction industry, offering unique opportunities for innovation and efficiency. At the heart of this process lies a comprehensive digital chain that integrates various stages, from initial design to post-processing. This article provides an overview of this digital chain, explaining each crucial step. The chain begins with design, utilizing Design for Additive Manufacturing (DFAM) concept and parametric modeling to create optimized structures. Path generation follows, determining the precise toolpath for extruding concrete layers. Simulations, both numerical and analytical, ensure the design's integrity and feasibility. Several articles have addressed parametric modeling, process and numerical simulation, and the post-processing phase. However, none has proposed an updated methodology for the workflow. This study aims to propose a robust digital chain for C3DP technology, using one platform (3Dexperience) and seamless data transfer between applications. These steps provide insights into the structural performance of printed components, enabling necessary adjustments and optimizations. In essence, the digital chain coordinates a seamless workflow that transforms digital designs into concrete structures, unlocking the full potential of C3DP and paving the way for innovative and efficient construction.

研究动机与目标

• 开发一个稳健的、端到端的C3DP数字链，确保设计、仿真与后处理阶段之间实现无缝数据流。
• 通过在单一平台（3DExperience）内统一工具与数据传输，解决现有C3DP研究中缺乏集成工作流的问题。
• 通过参数化建模与材料行为的数值仿真，提升结构性能预测与设计优化水平。
• 通过整合3D扫描与图像处理技术，实现缺陷检测与尺寸验证的自动化，从而提升后处理质量控制水平。

提出的方法

• 利用正弦与编织图案方程进行参数化建模，生成复杂且可打印的几何结构。
• 应用DfAM原则，包括拓扑优化，以提升材料效率与结构性能。
• 采用平面切片结合事件序列，实现仿真中工具路径轨迹与材料沉积的同步。
• 使用SIMULIA（ABAQUS）进行数值仿真，引入随时间变化的材料属性（弹性模量E(t)，泊松比ν(t)）与数值阻尼，以模拟结构失效。
• 引入基于事件的单元激活机制，模拟打印过程中材料的实时沉积与性能演化。
• 利用3D扫描与图像处理技术对比打印件与CAD模型，实现缺陷与形变的自动化分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何建立统一的数字链，以确保C3DP中设计、仿真与后处理阶段的数据传输与工作流无缝集成？
• RQ2 参数化建模与DfAM在多大程度上可提升3D打印混凝土结构的可打印性与性能表现？
• RQ3 数值仿真在多大程度上能准确预测复杂C3DP构件的结构失效与变形行为？
• RQ4 3D扫描与图像处理在提升后处理质量控制与尺寸精度方面发挥何种作用？

主要发现

• 该数字链通过单一平台（3DExperience）实现了设计、路径生成、仿真与后处理阶段之间的无缝数据交换。
• 采用正弦与编织图案的参数化建模可精确控制材料分布与几何复杂度。
• 结合时间依赖材料属性与基于事件的激活机制的数值仿真，能准确预测变形与失效模式，如穹顶与圆柱形结构所示。
• 3D扫描与图像处理技术可实现对尺寸偏差、裂纹与表面缺陷的自动化检测，显著提升后处理质量控制水平。
• 实验数据与数值仿真的集成增强了模型可靠性，并支持迭代工艺优化。
• 所提出的流程通过仿真驱动的反馈机制，显著提升了设计优化水平、打印可行性与结构完整性。