永續型超高性能混凝土3D列印優化與製程模擬

　　本技術包含兩項重要的項目，第一項為新式可列印超高性能混凝土複合材料之開發，以超高性能混凝土為基礎，開發實際可運用於列印之可列印混凝土；第二項為混凝土3D列印過程之模擬分析及優化技術，採用自行研發之無限元素法來模擬3D列印過程，並優化積層列印路徑及參數。最後架設多軸型混凝土3D列印設備，以驗證前兩項技術。

      近年來3D列印技術被建築營造業所注意，然而，應用於鋼筋混凝土建築上有許多困難，混凝土並非傳統3D列印材料，在「擠出」與「塑形」上有仍有許多地方需要克服。另外列印過程與結果的預估，如材料、參數、路徑以及結構、應力等方面的分析尚未成熟。且當模型的結構程度非常複雜的時候，它的數據量非常龐大，這是一個非常大的挑戰。因此，本團隊發展了一種可列印的混凝土材料及混凝土3D列印的模擬技術。
    本團隊採用新型複合水泥基質材料—「超高性能混凝土」，在超高性能混凝土中添加多種纖維，將傳統混凝土缺點(拉力強度低、易開裂、及脆性)減輕至最低，相比一般混凝土，具有極高的韌性能力，如圖1所示。且其緻密的顆粒結構，也具有優秀抗酸鹼腐蝕耐久性，因此優秀的力學性能與耐久性質為此類新材料一大特色。
    此外，本團隊發展混凝土3D列印製程模擬及優化技術，首先根據物件之幾何外形，計算列印路徑及噴頭角度，圖2為不同噴頭角度之列印結果示意圖，上圖為一般列印之固定高度切層方式；下圖為噴頭隨著輪廓之角度變化，這種策略的明顯優勢是使兩層之間的接觸表面保持恆定，從而避免了兩層之間的幾何間隙，這樣的結構較不容易塌陷，可達到較高積層高度。接著進行混凝土3D列印製程之模擬分析，採用自行研發之無限元素法來模擬，搭配時變材料性質元素，分析物件在製造過程的應力分布及形變，再根據其分析結果，優化製程參數，如位移速率、擠出速率等。

圖1 超高性能混凝土韌性行為

圖2 超高性能混凝土3D列印切向列印法