建設エンジニアはトポロジー最適化を使用してコンクリート3Dプリント技術の限界を克服します

2022年6月22日、アンタークティックベアは、ロイヤルメルボルン工科大学と河北工業大学のエンジニアが、コンクリート製の3Dプリント建物の位相構造を最適化する新しい方法を提案したことを知りました。
研究チームが提案した新しい方法は、双方向印刷構造（BESO）を最適化し、連続押し出しによって独自の自立型モデルを作成できると報告されています。研究者らは、この新しい手法をさらに開発することで、建築用3Dプリンターのユーザーがこの技術のメリットを最大限に享受できるようになるだろうと述べている。
研究チームは論文の中で次のように述べています。「コンクリート 3D プリント (3DCP) とトポロジー最適化の統合により、高価な型枠や集中的な労働力を必要とせずに、構造的に効率的な部品の製造が可能になります。しかし、3DCP の製造上の制限が、これら 2 つの分野の統合を妨げています。私たちの論文では、BESO フレームワーク内での 3DCP のさまざまな製造上の制限について取り上げています。」
△CyBe社のコンクリート3Dプリンターが層ごとに建物を建造しています。写真提供：CyBe Architecture。
より詳細な調査結果は、「さまざまな製造上の制約を考慮した 3D コンクリート印刷のトポロジー最適化」と題された論文に記載されています。この研究は、Bi Minghao、Phuong Tran、Xia Lingwei、Ma Guowei、Xie Yiminが共同執筆した。

関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... 2200375X?via%3Dihub
トポロジー最適化技術のメリットを拡大 一般的に、「トポロジー最適化」という用語は、特定のモデル内の材料を分散させてその形状を最適化するために数式を使用する生成設計手法を表すために使用されます。このプロセスにより、オブジェクトのパフォーマンスに影響を与えずに材料を除去できる領域をユーザーが特定できるようになるため、より軽量で強度の高い部品を反復して作成できるようになります。
3D プリントの世界では、トポロジー最適化は以前から使用されており、Autodesk や nTopology などの企業は、CAD モデルを強化するために特別に設計されたカスタムツールを提供しています。より実験的なレベルでは、リエージュ大学とデルフト工科大学のエンジニアが、プロセスにおける非互換性の問題を克服し、大規模な 3D プリントを最適化する手段も開発しました。
しかし、RMIT と河北省の研究者によると、トポロジ構造の最適化を建築 3D プリントに組み込むのは現実的に難しいとのことです。研究者らによると、これは部分的には、張り出しの狭いコンクリートの建物がひび割れや収縮を起こしやすいことが原因だが、これらのプリンターではノズルの動きと材料の供給が分離しているため、詰まりを引き起こす可能性もあるという。
△トラスの厚みを変更する様々な方法。画像はリエージュ大学より。
「BESO」方式のご紹介<br /> このオーバーハングと堆積の問題を克服するために、研究者らは新しい BESO プロセスを提案しました。このフレームワークでは、階層化された感度スキームを使用して、自立型パーツの作成を可能にする方法で、印刷方向におけるデザインの垂直方向の位置合わせを保証します。ドメインセグメンテーションを通じて、プロセスはオブジェクトを整列可能な部分に分割することもできます。
そうすることで、新しい方法では基本的に各パーツに印刷方向を割り当てることが可能になり、よりカスタマイズ可能なモジュール構造パターンが容易になります。エンジニアは、コンクリート 3D プリントに強化された設計プロセスを導入するだけでなく、可能な限り最短の印刷ルートを決定し、制限のない堆積を可能にするように設計された連続押し出し制約を開発しました。
研究者らは、このアプローチの有効性をテストするために、カンチレバー（トポロジー最適化の検証によく使用される）をベンチマークとして使用して、一連の数値研究を実施しました。アルゴリズムを改良した後、チームは、それを展開して、位相的に最適化された椅子を含む、垂直に整列したオブジェクトのデザインを反復的に生成できることを発見しました。
この研究は、エンジニアたちのアプローチが高品質の構造を作り出す可能性を示しているが、ノズルのサイズ制限により、原料の体積分率が低い設計では後処理が必要になると彼らは言う。そのため、将来的には応力制約をアルゴリズムに統合することで、ユーザーはさらに正確なシミュレーションを取得し、最適化された新しい形状を実現できるようになると研究チームは述べています。
△ICONの3Dプリント住宅が住宅市場に参入し始めました。写真提供：ICON。
コンクリート 3D プリントの開発を進める<br /> コンクリート 3D プリントは、従来の建設方法よりも環境に優しく、安価であると業界内で広く認識されています。ヘリオット・ワット大学のチームは現在、コンクリート 3D プリントと提案されている利点について懐疑的な見解を示していますが、他の多くの場所では、この技術のパフォーマンスを最適化するための研究が数多く行われています。
今年初め、南洋理工大学のエンジニアたちは、ガラスを注入した新しい持続可能な3Dプリント材料を開発した。彼らの新しいタイプのコンクリートは、ますます不足している天然の砂の代わりにガラスを使用しており、これまでに高さ40cmのコンクリートベンチの建設に成功しており、耐荷重構造物の作成にその可能性を証明しています。
商業建設 3D プリントの新興分野では、ICON などの企業はこれまでトポロジー最適化についてほとんど語っていませんが、それでも大規模な建設を何とか実現しています。同社は2021年に米国で最初の3Dプリント住宅を販売し、今年から100軒の住宅のコミュニティを3Dプリントすることを約束している。

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