コンクリート 3D プリントのトポロジー最適化設計

出典: RMIT 革新的構造・材料センターより

著者: Bi Minghao、Jonathan Tran、Xia Lingwei、Ma Guowei、Xie Yimin 所属: ロイヤルメルボルン工科大学、河北工科大学

人件費が上昇し、労働力がますます不足している現状において、建設業界の焦点となっているのは、インテリジェント建設技術を活用して、いかにして工期を短縮し、産業廃棄物を削減し、人件費を下げるかということである。 3Dコンクリートプリント（3DCP）は、積層造形技術と最先端の材料技術を組み合わせ、層ごとに積み重ねる方式で立体的に製造し、型枠不要の施工を実現します。コンクリート 3D プリントは、デジタルモデリング、金型不要、プレハブ建築を組み合わせることで、複雑な構造物の建設の難易度とコストを削減し、建築設計にトポロジー最適化を適用する方法を提供します。しかし、従来のトポロジー最適化設計では、具体的な 3D 印刷のさまざまな要件を直接満たすことができないため、通常、印刷効率が低下したり、品質が低下したり、印刷が失敗したりします。謝一敏院士のチームは最近、積層造形分野のトップ国際誌「Additive Manufacturing」に論文を発表しました。彼らはこの問題について徹底的な研究を行い、コンクリート3Dプリント用の新しいトポロジー最適化アルゴリズムを提案しました。このアルゴリズムは、設計構造の性能を維持しながら、全体的なプリント品質と効率を向上させます。

チームは、謝一民院士が開発した双方向進化型構造最適化 (BESO) 技術に基づいて、設計プロセスに次の 4 つの構造制約を導入しました。

垂直自立制約
連続押し出し制約
モジュール構造の制約
横方向等方性制約

垂直方向の自立制約により、デザインの垂直方向の連続性が確保され、各印刷層は次の印刷層を効果的にサポートできます。最適化された設計により、オーバーハングが回避され、自立型の印刷が可能になります。
水平ストロークの制約により、デザインの水平方向の連続性が確保され、各印刷層は連続した閉じた構造になります。チームが以前の研究で提案したワンストロークパスアルゴリズムと組み合わせることで、印刷は全体的な連続性を実現し、印刷の効率と品質を効果的に向上させることができます。
アセンブリ設計制約により、設計者は設計領域をさまざまなモジュールに分割できます。各モジュールは、機能やサイズに応じて異なる角度で印刷できるため、全体的な印刷効率が向上します。
横方向等方性制約は、コンクリート 3D プリントのさまざまな方向における材料強度の違いを考慮して、最適化結果の精度を向上させます。

図1: 片持ち梁の設計領域

図2: 設計領域を2つのプレファブリケーションモジュールに分割した後の最適化結果: (a) グラフィックの中心線を印刷ベースとして左側と右側に印刷 (b) グラフィックの両側を印刷ベースとして中心線に印刷

研究チームは、図 1 に示す従来の片持ち梁を例にして最適化設計を実行しました。 XZ 平面を対称面として、設計領域を 2 つのアセンブリモジュールに分割します。図 2 a と b では印刷方向が異なります。
a: グラフィックの中心線を印刷基準として、各モジュールを外側に印刷します。
b: グラフィックの外側を印刷ベースとして使用し、各モジュールを中心線に向かって印刷します。

図 2 の最適化結果は、構築制約を満たし、各モジュールの垂直方向と水平方向の連続性を保証します。従来の BESO 最適化結果と比較すると、制約が追加された設計では全体的な剛性の一貫性が維持され、構造の高い効率が確保されます。さらに、最適化の結果では、ワンストロークアルゴリズムを使用してパスを計画し、効率的で中断のない印刷を実現できます。
図3: ワンストロークアルゴリズムを使用して最適化結果のパスを計画する

研究チームは新しいアルゴリズムを使用して、図 4 の座席の設計を最適化しました。機能要件を満たすために、座面を非設計領域として定義し、内部の力伝達領域を最適化します。印刷効率を高めるために、チームは XZ 平面を対称軸として設計領域を 2 つのアセンブリモジュールに分割し、図 5 に示す最適化結果を得ました。ワンストロークパスアルゴリズムの助けを借りて、各モジュールは印刷中に自立した連続印刷を実現し、最終的に図 6 に示すトポロジが最適化されたコンクリート 3D プリントシートを完成させました。

図4: トポロジー最適化シート設計領域

△ 図5: 最適化結果: (左) プレハブモジュール単体 (右) 2つのモジュールを接合した結果。内部の詳細を示すため、画像の片側は透明になっています。

図6: コンクリート3Dプリントの結果: (a) 組み立て前のプレハブモジュール(b) 組み立て後の全体結果

この研究では、インテリジェントな建物設計に適用できるコンクリート 3D プリントの新しいトポロジー最適化手法を提案しました。

この研究プロジェクトは、主に博士課程の学生であるビ・ミンハオが、院士のシェ・イーミンとジョナサン・トラン博士の綿密な指導の下で完成させ、具体的な3Dプリント実験については河北理工大学のマー・グオウェイ教授と博士課程の学生であるシア・リンウェイの指導と支援を受けました。この研究成果は、Additive Manufacturing誌（Q1、インパクトファクター：10.998）に掲載されました。

原著論文: M. Bi、P. Tran、L. Xia、G. Ma、YM Xie、「さまざまな製造制約による 3D コンクリート印刷のトポロジー最適化」、Additive Manufacturing 57 (2022) 102982。https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102982。