當3D打印機層層堆疊混凝土建造房屋時，底層結構可能正在悄然“縮水”——這種被忽略的壓縮變形，曾導致傳統預測模型誤差高達146%。近日，東南大學團隊研發的“非線性建造速率模型”，通過捕捉打印層的“累積壓縮效應”，將3D混凝土打印的破壞高度預測誤差降至5.4%-10.5%。這項發表于《Frontiers of Structural and Civil Engineering》的成果，讓3D打印建筑從“摸著石頭過河”邁向“精準計算施工”。

傳統模型的“致命盲區”：看不見的“層壓陷阱”

3D混凝土打?。?DPC）無需模板就能“擠出”復雜結構，但其“疊羅漢”式的建造過程暗藏危機：每層新打印的混凝土會像“小錘子”一樣壓迫下層，導致底層發生彈性壓縮。傳統模型假設所有打印層高度均勻（如設計12mm），如同“假設每塊樂高積木永不變形”，實際卻因累積壓縮引發“矮化坍塌”。

實驗顯示，兩種常見打印材料（V0無鋼纖維、V1含1%鋼纖維）在傳統模型預測下，實際打印層數比理論值少42%-146%。“就像預計蓋20層樓，實際蓋到第8層就會因底層壓縮過度而傾斜。”研究團隊解釋。2023年某商業綜合體3D打印項目就因類似問題，導致墻體垂直度偏差超標，返工成本增加30%。

破解“壓縮密碼”：給打印過程裝“變形記錄儀”

團隊通過三組實驗，揭開了打印層的“變形規律”：

第一步：測量“綠色強度”的“身材密碼”
采用無側限單軸壓縮試驗（UUCT）發現，打印層的“綠色強度”（初期承重能力）與長徑比（L/D）密切相關：L/D越?。ò中停?，強度越高，呈指數增長；而楊氏模量（材料剛度）則隨L/D增大線性增加。例如，L/D=0.25的打印層強度是L/D=2時的1.3倍，顛覆了傳統用標準試件（L/D=2）測強度的方法。

第二步：捕捉“臨界層”的“生長拐點”
空心圓筒打印實驗顯示，前n0層受打印頭擠壓維持設計高度（12mm），但底層在自重下逐漸壓縮，如同“被持續按壓的彈簧”。當累積壓縮量達8mm（臨界高度差）時，打印頭無法再“按住”絲材，其高度突增至20mm（噴嘴直徑）。此時，建造速率從非線性轉為線性，這個“生長拐點”就是臨界層n0——V0材料n0=5層，V1材料n0=10層。

第三步：構建“非線性預測模型”
基于臨界層和壓縮規律，團隊推導出新模型：前n0層按非線性速率計算壓縮變形，n0層后轉為線性。例如，含鋼纖維的V1材料因纖維增強“抗變形力”，臨界層比V0多5層，可打印層數提升95%。

誤差從146%到5.4%：新模型如何“校準”打印高度？

實驗驗證中，新模型展現出高精度：

  • V0材料：傳統模型預測27層，實際僅19層（誤差42.1%）；新模型預測17層（誤差10.5%）。
  • V1材料：傳統模型預測78層，實際37層（誤差146%）；新模型預測35層（誤差5.4%）。

“關鍵在于把‘靜態公式’變成‘動態記錄儀’?！眻F隊指出，新模型首次量化了壓縮變形對建造速率的影響，通過修正強度因子（FAR）和臨界層參數，讓預測貼合實際施工。例如，鋼纖維的加入使V1材料的楊氏模量提升2.7倍，顯著延緩了壓縮累積。

從實驗室到工地：3D打印建筑將更“靠譜”

該模型已在南京某地鐵管片3D打印項目試用，幫助工程師提前調整打印參數，減少材料浪費15%。團隊計劃下一步結合3D打印材料的“時間依賴性”（如強度隨時間增長），優化大型結構（如高層建筑）的預測精度。

來源: FrontCIVlL