介绍
根据联合国环境规划署的《全球建筑状况报告》，水泥、钢铁和玻璃等建筑材料的生产排放量正在上升，占全球碳排放总量的 10%。1仅水泥产量就约占总量的 7%。因此，有必要降低混凝土建筑的水泥含量，以实现负责任的消费和生产的可持续发展目标（SDG12）。
为了易于制造和提高成本效益，当今建筑中使用的大多数混凝土都用于标准化的平浇筑楼板，这些楼板是大型整体部件。2然而，这种对成本的关注是错误的，因为楼板不仅在混凝土框架建筑中消耗最多的材料并且具有最高的隐含碳水平，而且它们还构成了结构质量的大部分。因此，建筑物需要整体更强的承重结构，并增加了建筑物流所需的能源和成本。
有许多方法可以优化板坯，使其材料高效且重量轻。例如，空心板是通过挤压制成的具有连续管状空隙的预制元件，用于覆盖标准化跨度。现场方法包括在不需要结构强度的楼板部分放置空心模板；然后用混凝土浇注剩余区域。3 , 4这对于几何形状复杂的非标板模板来说更加困难。它们的制造通常涉及浪费的减材技术，它们不能重复用于其他板坯几何形状，并且需要更多的材料和劳动力，所有这些都增加了产品的成本。
随着建筑行业增材制造 (AM) 的发展，这些材料效率和可持续性策略发生了变化，因为现在可以在不需要模具、生产专用工具或额外劳动力的情况下生产不同的形状。因此，多项研究使用增材制造方法来创建新型、材料高效、轻质混凝土板的模板。5 , 6
这项研究提出了一种采用矿物泡沫 3D 打印 (F3DP) 和混凝土铸造的创新制造工作流程。在轻质复合混凝土板原型的设计和施工中，强调了挑战，并讨论了改进策略。这项工作代表了 F3DP 在架构规模上的应用研究的下一阶段。这个想法已经在一项试点研究中得到了研究，该试点研究使用烧结矿物泡沫作为复合材料外墙遮阳板7和拱形梁楼板系统。8在当前的研究中，材料和机器人制造系统得到了改进。由于机器视觉和 3D 扫描的实施，24 个自由形状固定模板组件的制造具有更高的精度。这些模板组件与纤维增强超高性能混凝土 (UHPFRC) 一起使用，生产出典型的 2 × 1.3 m 带肋混凝土板几何形状。
材料和 F3DP 系统与计算设计工作流程、高级打印路径生成和填充图案评估一起呈现。3D 扫描程序用于改进打印路径并减少目标形状偏差。与整体板相比，最终的原型减少了 72% 的混凝土用量，从而减少了 70% 的质量。细丝肋状几何形状是优化混凝土结构9的通用示例，并被设计为 F3DP 制造的模板的用例。对这种创新生产技术的优点和挑战的讨论辅以对未来发展的建议。
泡沫3D打印的机遇
矿物泡沫是含有大量截留空气的材料。它们重量轻、耐火，并具有良好的绝缘性和隔音性能。10因此，它们经常在建筑行业中用作绝缘体以增强建筑物的耐热性，或用作非承重墙和地板层以减少结构的自重。
预制板和块、夹芯板、定制自由形状元件以及现场铸造或喷涂解决方案是泡沫材料最典型的使用方式。由于其优异的机械加工性和高强度重量比，泡沫特别适合模板应用。加工泡沫以实现定制模板的复杂形状的传统方法是切割和铣削较大的块。这些减材技术会因碎屑和边角料而产生大量浪费。此外，这使得在几何形状复杂的建筑构件中有效利用该材料变得极具挑战性。
然而，建筑中的增材制造 (AM) 是一种有前途的方法，可实现更可持续和更高效的制造工艺，11 12有很多机会使用泡沫 3D 打印 (F3DP) 来改善泡沫建筑。13F3DP 能够使用多孔建筑材料自动无浪费地生产形状复杂的建筑构件。这使得为​​专门设计的、几何效率高的建筑部件制造固定模板变得更加容易。此外，泡沫的高隔热和隔音能力还可以增强墙体和楼板组件的功能。因此，F3DP 使得创建新型复合结构成为可能，该结构使用更少的材料、更轻、更便携，同时提高工人的生产力和安全性。
最先进的技术和挑战
用于固定模板的 F3DP 过去一直是多项研究的主题。原型圆顶和单层住宅的固定模板是使用膨胀聚氨酯喷涂泡沫建造的。14 , 15不过，对于 F3DP，存在更环保、不含水泥且天然不易燃的矿物泡沫，并在本研究中得到应用。过去，含有矿物泡沫的 F3DP 已用于许多小规模研究，16、17气候响应砖的原型设计、18以及轻质复合立面遮阳板的创建。7然而，这些研究使用烧结这种高能源密集型技术来进行材料固结。此外，还对大规模 F3DP 19、20的水泥泡沫混合设计和生产方法以及不同密度的零件的制造进行了检查。21不过，这些调查均未讨论 F3DP 创建的单元的尺寸精度。
对于 F3DP，当挤压材料放置并迅速从流体变为固体时，会发生几何误差。这种转变可能会导致体积变化，从而导致未知的打印几何形状。此外，碱激活矿物泡沫在制造后需要长期固化，这可能会导致固体样本收缩。这些现象为理想情况下不需要进一步后处理的近净形状制造技术带来了困难。
分层设计
打印路径的设计对打印过程、沉积过程中材料的行为以及成品部件的物理特性具有重大影响。给定几何形状的打印时间可能会根据所选路径策略的不同而有很大差异，并影响这种生产方法的经济性。打印路径设计决定了机器人沉积系统的运动轮廓，并可能导致磨损增加甚至损坏。此外，打印路径会影响最终部件的表面特性，例如粗糙度或孔隙率。最后，打印部件的物理特性，例如强度和质量，也受到打印材料的空间排列的影响。
可以针对特定的性能目标选择不同的打印路径方案。现有研究列出了许多具有合适路径规划和增材制造技术的类别，例如表面质量、形状和角精度、填充分布、节省时间、材料和重量、提高机械性能、实现薄壁几何形状、功能分级、各向同性零件，并轻松移除打印床。22例如，另一项研究使用先进的打印路径设计和不同的机器人速度来创建具有功能分级密度的零件，特别是由混凝土 3DP 制造的轻质梁元件。23
一般来说，打印路径策略可以分为平面和非平面。对于前者，丁等人。认为填充路径模式可以分为六种主要类型。24光栅路径基于平面光线投射，在给定的 2D 轮廓内创建断开的方向平行线。之字形路径方法源自光栅方法，并将所得线以起伏的方式连接成一条连续路径。轮廓路径是基于欧几里德距离变换的等轮廓的另一种策略，并导致断开的曲线，其遵循给定二维轮廓的几何特征。由此衍生出螺旋路径，它将不相交的等值线连接成一条连续的路径。更复杂的是连接费马螺线，因为它们在同一位置开始和结束。25空间填充路径是另一种生成连续曲线的方法，它覆盖给定的二维轮廓而不与自身相交。迷宫般的路径方案属于这一类，并且已知会产生复杂的、迷宫般的、连续的线条图案。26混合路径策略源自上述类型，结合了方向平行和轮廓平行路径算法两种方法。例如，Bi 等人提出了一种连续轮廓之字形打印路径，该路径能够以更少的急转弯更有效地打印实心和部分填充图案。27
方法
以下部分介绍了本实验研究中使用的主要方法。首先介绍材料和3D打印系统。然后详细阐述了板原型模板元素的设计策略，然后研究了打印路径，更具体地说，研究了填充图案。最后，提出了克服 F3DP 尺寸精度挑战的方法。长期样本评估可用于预测偏差并修改打印策略。这项工作建议使用 3D 扫描来分析长期收缩并纠正刀具路径处理过程中的目标几何偏差。根据 3D 扫描结果使用几何预缩放因子生成刀具路径，初步结果表明打印精度有了显着提高。
材料与3D打印系统
飞灰是工业煤炭燃烧的副产品，是该项目使用的可持续矿物泡沫的主要成分。粉煤灰在碱性环境中像水泥一样硬化和凝固，在温和的热固化后获得其全部强度。28 – 30与早期利用烧结进行材料固结的研究相比，这代表了重大进步。
第一步，准备打印材料。这需要在行星式搅拌机中混合飞灰、水和添加剂。之后，浆料和硬化剂的连续流被推入泡沫发生器，泡沫发生器以指定的比例将两种成分混合并发泡。
此过程产生的缓慢硬化的泡沫在柔性软管内从泡沫发生器移动到 ABB IRB 1600 机械臂，该机械臂执行打印运动（图 1）。机器人轨迹和打印速度由数字路径生成器工具计算，这将在下一节中更详细地讨论。刚性木板用作打印床，占地面积为 55 × 95 厘米。

图1。机器人 F3DP 设置：泡沫发生器、浆料和硬化剂泵通过柔性软管连接到 IRB1600。31
该系统能够在每次实验期间从多达 40 L 的浆料中生产 100 L 的泡沫，湿密度约为 500 kg/m 3。机器人打印速度为 110 毫米/秒，以 2.1 升/分钟的挤出速率沉积泡沫。打印后，打印部件第一天在潮湿环境（约 70% RH）下保持在 40°C 的温度下，并在干燥环境（约 45% RH）下再保持 6 天。
元素设计
该板原型可作为将传统混凝土浇注与 F3DP 模板相结合的创新制造方法的案例研究。资源有效利用的形式是由定制印刷的可持续矿物泡沫元素塑造的。选择了 UHPFRC（一种用于建筑行业的高性能承重材料）以及典型的肋尺寸。预计该板原型的结构性能将与使用由聚苯乙烯或木材组成的传统模板建造的板相当。9因此，本研究不包括任何结构评估。相反，我们对 F3DP 程序、后续制造步骤、元件和打印路径设计以及偏差缓解策略进行了评估。
基于先驱结构设计师 Pier Luigi Nervi 32的肋板楼板系统的技术用于构建楼板原型的通用几何形状。28为了指定结构楼板肋的位置，使用从特定边界和荷载情况下出现的主要应力模式导出的均衡线。存在各种关于使用拱顶和壳结构优化板单元几何形状的研究。9 , 33 , 34相比之下，本研究使用由 F3DP 制作的带有受拉肋的模板的示例性几何形状。
第一步，进行有限元分析 (FEA) 来分析主要应力模式。分析的几何形状是一块尺寸为 2 × 1.3 m、厚度为 14 cm 的矩形混凝土板。支撑由四个点定义，矩形的每个角各有一个点。住宅用途的预期静荷载为2 kN/m 2的均匀分布面积荷载。在第二步中，所得应力模式被转换为简化的分层肋布局。肋骨之间的负空间定义了定制的固定模板几何形状（图 2）。

图2 . 板布局设计阶段：a) 从有限元分析得出的主应力模式，b) 简化的分层肋线，以及 c) 最终模板元素。31
肋条厚度并未在结构上进行优化，但在 25 毫米和 40 毫米厚度下很明显，例如几何形状。选择肋的数量将板分成相同尺寸的模板块，适合机器人 F3DP 制造区域。
由于对称的载荷情况和应力模式，肋骨模板由 24 个泡沫部件组成，其中 12 对具有相似的几何形状。板坯原型的总厚度为14厘米。这是由 10 厘米高的泡沫元件和 4 厘米的混凝土覆盖率产生的。泡沫元件的轮廓曲率是根据 F3DP 工艺的分辨率量身定制的，其边角经过倒圆处理，以最大限度地减少过度挤出的可能性。分层加强筋有25毫米和40毫米两种不同的厚度。
路径设计
打印路径设计和零件几何形状高度相互依赖。因此，在设计路径布局时，必须考虑目标几何形状的类型和具体的性能要求。在本研究中，模板元素是简单的挤压多边形，必须在所有边界表面闭合的情况下生产，这意味着实体填充图案。将其边界表面打印为壳体，然后在第二步中铸造填充物的选择被放弃，以避免额外的制造步骤和可能降低的生产速度。
模板元件应该重量轻，便于搬运，并且足够坚固，能够在最终浇注步骤中抵抗混凝土的静水压力。它们简单的几何形状不需要弯曲的分层打印路径，并且可以设计为连续的平面打印层。由于开发的 F3DP 设置不提供启停操作，因此打印路径应该是连续的，或者应尽可能减少行程移动。
先前的研究表明，固体填充图案的打印路径设计的方向变化会影响填充体积的体积密度。35更多的变化会在急转弯处引入挤压不足区域并降低最终密度。此外，具有过多匝数的填充图案（例如空间填充曲线）也会增加层长度，从而增加总体打印时间。因此，在本研究中，它们不被视为打印路径研究的选项。
本研究中考虑的填充路径设计如图 3所示，其中它们应用于板原型模板的测试几何形状。它们由 (a) 方向连续螺旋、(b) 轮廓垂直锯齿形图案和 (c) 方向平行交叉锯齿形图案组成。表 1概述了设计选项在通过切片测试元素评估的打印指标方面的不同表现。以下部分详细描述了各个打印路径设计。

首先，研究了属于轮廓平行填充图案类别的方向连续螺旋。它创建连续的打印路径，而不会在层更改时反转方向。这是通过从最近点开始到前一层的端点，在每层上单独螺旋连续等值线来实现的。因此，每层中的每个螺旋都是唯一的，并且从外到内或反向连接等值线。垂直粘合图案以堆叠方式对齐打印路径，因为在本研究中，它们基于垂直挤压几何形状的轮廓。
对于经过测试的模板元件几何形状，方向连续螺旋图案产生的打印路径长度为 4068 毫米，填充覆盖率高达 98%，从而在急转弯时几乎不会出现因挤出不足而产生的间隙。生成的打印路径只有 25 个关键方向变化。为了量化它们，所有路径都被采样为 500 个段。如果线段起点和终点切线之间的角度超过 100°，则它们被视为临界。根据经验确定角度阈值，以减少打印路径急转弯时机器人速度的变化。该填充图案与打印对象的形状无关。仅在填充图案的中心才会出现挤压不足和间隙。
其次，开发了轮廓垂直之字形图案，这是轮廓平行和空间填充曲线的混合策略。它通过沿外部和内部等轮廓偏移径向穿过填充区域的之字形，在每层中创建连续且闭合的打印路径。锯齿线在每层中移动，以创建移动的垂直层粘合。该图案为测试的几何形状生成 4779 毫米的打印路径，填充覆盖率为 89%。因此，它是形状相关的，并且更适合细长的打印几何形状，例如墙壁元素，其中轮廓的长度和内部偏移路径相似。挤压不足的区域可能出现在填充图案的中心，这对于紧凑的形状来说会更加明显。由于 307 个样本段的临界方向变化量很大，
最后，测试了具有交替层方向的方向平行锯齿形填充图案。该方案在每层中创建具有不同方向、起点和终点位置的连续开放打印路径，从而导致每个层过渡中的行进路径。因此，垂直层粘合是横向交替的。填充图案产生 3687 毫米长的打印路径，填充覆盖率低至 60%。这是由方向平行的锯齿形图案和印刷几何形状的外轮廓之间的填充不足区域造成的。因此，该方案高度依赖于形状，并且之字形图案的方向理想地遵循关键几何轮廓特征。应用于测试几何体时，该填充图案具有适度的 80 个关键方向变化。
最后，选择第一个打印路径方案来制造板原型的模板元件。当使用样本几何形状进行测试时，它在填充覆盖率和关键方向变化方面表现最佳，与其他方案相比，它有望实现高精度的高效打印过程，并且成品部件的后处理更少。此外，可以避免移动，并且所得到的光滑连续层的表面质量满足模板的应用情况。
所描述的 F3DP 过程的打印路径是使用 Rhino/Grasshopper 环境和 COMPAS 框架中的 python 脚本计算的。36然后，生成的打印路径设计和生成的制造指标可以显示在 CAD 环境中，从而可以选择、处理和渲染模板形状（图 4）。打印路径生成器使用输入变量层高、层宽和材料流量来计算打印速度。打印几何形状在垂直方向上预先缩放 1.2，这是通过 3D 扫描测试样本凭经验确定的，目的是提高尺寸精度。37

图4 . 打印路径可视化显示 (a) 不同层的序列和 (b) 切片打印几何体的所有层。31
机器人目标和速度数据包含在制造数据中，并导出为 JSON 文件。使用COMPAS框架和COMPAS RRC包，进行了3​​8个机器人操作。F3DP加工设备在制造过程中是手动操作的，并且材料的流量保持恒定。如果发生偏差，机器人操作员可以调整计划的速度值。
3D扫描
为了实现近净形状零件制造的工艺质量，必须评估打印几何形状与数字模型的几何偏差。这些变化既可能在印刷期间由于湿材料的可塑性而发生，也可能在印刷之后由于固化材料的收缩而发生。通过实施多步骤的打印后 3D 扫描过程并将生成的 3D 数据与原始几何形状进行比较来测量变化。
在打印后并在最终固化状态下，直接使用 Creaform GoScan 50 型便携式结构光 3D 扫描仪对打印件进行扫描。总共记录了 12 个打印周期，每个周期扫描 1-3 个新鲜和固化状态的样本。获得的数据在专有扫描仪程序 VX Elements 中进行处理，并生成平均有 450,000 个顶点的导出 3D 网格以及随附的目标标记坐标。无法从专有扫描仪软件收集原始点云数据。
然后使用 Grasshopper 插件中的自定义脚本来检查 Rhinoceros CAD 程序中的网格。首先，使用目标标记的坐标对网格进行初始对齐和分层。其次，进行计算以确定分析网格的每个顶点与比较网格上最近点之间的距离。根据比较网格是在边界内部还是外部，距离数据被映射到正域或负域。第三，为分析的网格构建了显示映射偏差距离的绝对和轴向 (x;y;z) 分布的直方图，该直方图通过颜色编码以可视化偏差的大小（图 5）。

图5 . (a) 新打印和数字目标几何形状之间的偏差以及 (b) 固化打印和新打印之间的偏差。37
演示器的制作
制造带肋混凝土板原型需要四个主要步骤：打印泡沫元件、利用打印元件构建模板、浇注混凝土和拆除模板（图 6）。

图6 . 制造步骤：(a) 打印泡沫元件，(b) 准备临时木模板和固定泡沫元件，(c) 浇注 UHPFRC，以及 (d) 拆除临时模板。31
首先，在总计不到 10 小时的 3 次打印过程中，生产出了 24 个定制形状的泡沫元件（不考虑停滞时间）。最小的原型体积为 5.5 升，打印需要 2 分 45 分钟，而最大的原型体积为 13.2 升，生产需要 6 分 05 秒。表 2概述了所有独特的打印几何形状及其打印指标。总共使用了八个打印床，每个打印床包含一组三个原型。每次打印后更换打印机软管以保持湿泡沫质量。制造完成后，新制作的泡沫原型立即放入烘箱中固化并干燥一周，产生约350 kg/m 3的密度。

其次，建造了一个矩形木模板，其内部尺寸为原型混凝土板的尺寸为 2 × 1.3 × 0.14 m。然后，将粉笔轮廓放置在模板的下表面上，以表示泡沫元件的布局方式。接下来，将固化的泡沫部件逐一放置到位。为了防止轻质泡沫元件在铸造过程中漂浮，使用沙子、水和飞灰的混合物手动密封其底部周边。然后用干沙覆盖泡沫组件，用于堵塞混凝土最终可能渗入的任何间隙。所有 24 个泡沫组件都需要手动准备，每个泡沫组件需要 15 分钟，总共需要 6 小时。
第三，采用参考文献[5]中描述的配方和混合方法的UHPFRC混合物进行铸造。六人小组将混凝土按 30 升份混合后缓慢倒入模板中。在用连续的混凝土涂层覆盖这些部件之前，泡沫元件之间的空间以缓慢且空间分布的恒定垂直浇注速度填充。将原型放置在未加热的制造大厅中，并用塑料箔覆盖以防止水从 UHPFRC 表面蒸发，并固化 3 周。
然后将板原型翻转过来，以显示在移除木质模板后由印刷模板创建的肋状几何形状。通过使用压缩空气冲洗泡沫部件周围的松散沙子和干燥密封剂来实现最终外观。由于矿物泡沫可以回收利用，一半的模板元件被从原型上移除，以露出它们所填充的空间。原则上，去除的泡沫可用于打印新的模板元件。
结果与讨论
尽管没有对板原型进行结构评估，但这项研究表明，使用 F3DP 进行定制固定模板与定制设计的非标准混凝土结构高度相关。与定制模板的传统方法相比，所提出的方法使建造材料高效的肋板形状成为可能，这要归功于其制造技术大大减少了材料浪费。
由于 F3DP 工艺的稳健性，可以生产用于实际尺寸原型的大量泡沫部件。对于各种元素尺寸和层时间，打印都是可靠的。然而，将泡沫发生器连接到机器人的软管却是该系统的弱点。由于硬化材料堆积在其内表面，因此在生产过程中必须经常更换。打印区域和机器人运动也受到软管的限制。使用长软管的缺点成为改进设置并创建集成机器人打印头作为项目下一步的动力。
泡沫组件表现出足够的精度和足够的强度，可以满足混凝土施工的要求（图7a，b），同时也易于现场处理。所选的路径设计和填充图案产生的模板元件几乎没有填充不足的区域。然而，所有部件都需要手工操作，用沙子填充小间隙，以防止混凝土在其下方或内部蠕变。因此，可以进一步改进路径设计，以减少后处理工作并使生产方法更加高效。

图 7 . 成品板原型翻转，底面暴露。(a-b) 细节特写和 (c) 鸟瞰图，其中一半模板元件被拆除以进行回收。
通过快速轻松地组装硬木框架和放置打印的泡沫元件，铸造准备过程迅速开始。相比之下，湿砂密封泡沫部件需要花费大量时间和精力。由于这种手动过程，最终模板布置中潜在错误的风险也会增加。这可以通过添加额外的对齐细节来增强，例如外围凹口和更精细的打印路径几何形状。此外，隧道和空腔等打印安装功能可用于集成子系统。
虽然碱活化对于低孔隙率的 3D 打印无水泥元件很常见，但这项研究首次表明它也适用于打印可持续的矿物泡沫。这种方法比通过烧结固结使用的能量更少，并且能够以较低的密度制造更大的部件，从而为板坯原型节省更多的材料。此外，与任何注射器泡沫挤出系统相比，泡沫生产和打印都更快。因此，它比早期研究取得了重大进步。7为了减轻收缩和几何偏差的影响，未来的开发可能会建议采用具有相对湿度和温度控制的回火打印环境。
在这项研究中，可以显示 F3DP 与混凝土的相容性，这也允许使用传统的钢筋作为加固策略。然而，通过用更环保的混凝土混合物替代 UHPFRC 作为结构填料，最终复合材料元件的环境影响可能会进一步降低。具有高密度和抗压强度的无水泥、纤维增强矿物泡沫可用作结构部件。由此产生的具有分级孔隙率的单一材料建筑组件将简化回收并进一步支持循环建筑。
提高泡沫3D打印的精度
3D 扫描过程的结果表明，打印件在刚打印时就已经与预期的几何形状存在显着偏差。如图2(a)所示，样品中的偏差主要在z轴上测量，范围为-26.49至-17.13毫米。由此产生的打印件通常比所需形状低 20 毫米。此外，如图2(b)所示，固化印刷品的变化主要发生在层的悬垂区域，在所示样品中平衡轴向分布在-3.12和2.34mm之间。八个测量样品的平均偏差在湿润状态下为-2.61毫米，在固化状态下为-0.45毫米。这表明长期收缩仅占总方差的一小部分。
为了在打印路径生成期间处理数字目标几何形状，在z轴方向上实施了 1.2 的一维预缩放因子。实施后的扫描结果显示，在减少新打印与所需几何形状的偏差方面有了显着的改进。峰值偏差在 -9.39 和 -4.10 mm 之间，图 8显示了改进样品的扫描结果。最大方差为 5 毫米，所得打印结果通常接近目标几何形状的正确高度。

图 8 . 应用预缩放的样本：新打印和数字目标几何形状之间的比较。
所讨论的 3D 打印矿物泡沫的机器传感方法未来可以通过多种方式进行改进。首先，可以改进用于比较未固化和固化打印样品的 3D 扫描技术。该技术使用的目标标记的位置显示扫描样本之间存在高达 1.7 毫米的显着偏差。此外，尽管固化周期期间不太可能发生变形，但实心印刷基底的网格形状在两次扫描之间会发生变化。因此，建议通过比较更准确的 3D 扫描过程的原始点云数据来改进该方法。
其次，根据 3D 扫描过程的结果，可以改进打印路径开发期间使用的预缩放技术。虽然z轴方向上的几何偏差从 -20 毫米到+/- 5 毫米的减少是显着的，但它们仍然可以进一步减少。预缩放技术仅针对具有相同高度的打印部件进行了测试。对于任何目标高度，必须验证该方法的可靠性和鲁棒性。此外，预缩放技术可用于沿x 轴和y轴（而不仅仅是z轴）缩放图层。在打印结果中，这可能会减轻锥形壁的影响。
第三，可以实现基于相机跟踪与图像处理相结合的后续层的实时更新，以进一步减少尺寸偏差。在 3D 打印具有不可预测的层高度变化的对象时，预先计算每一层的刀具路径是一项挑战。当打印更复杂的几何元素（例如树枝和不规则空隙）时，这变得更加成问题。因此，可以建议在制造过程中的感觉反馈和连续层的基于事件的路径开发之间建立集成的计算工作流程。
另一方面，如果可以直观地记录各种目标几何形状（例如双曲墙、悬挑和分支对象）的偏差和层高演变，则统计机器学习 (ML) 模型的训练可能有助于预测层高演变。与传统数学模型（如​​所提出的垂直比例因子）相比，其优点在于它可以涵盖更广泛的目标几何形状和湿矿物泡沫的非线性材料行为。机器学习技术可用于优化不稳定的打印过程并增强现场控制。39特别是在使用不可预测收缩的材料进行打印时，机器学习模型可以帮助检测尺寸变化并通过缓解例程来应对这些变化。40
结论与展望
这项研究提供了一种基于 F3DP 的独特制造方法，用于为轻质复合混凝土板生成功能性固定模板。最终产品是一种创新的建筑组件，结合了 UHPFRC 和可持续矿物泡沫，具有减少隐含碳排放和材料使用的潜力。演示了可靠的 F3DP、材料加工和环境控制方法。因此，可以生产出足够精确用于混凝土施工的建筑规模物体。对于机器人 F3DP，打印几何处理和路径生成的数字工作流程可为各种模板几何形状产生一致的结果。
这项研究描述了传感方法如何帮助检测打印样本的短期和长期几何误差，以实现近净形状制造。通过 3D 扫描和比较打印结果，可以证明制造后仅出现一些几何偏差。可以使用统一的预缩放因子修改打印路径设计，以降低与目标形状的偏差。随着制造过程中反馈控制的使用，打印精度应该进一步提高。结合之前讨论和提出的传感方法，提供了解决 3D 打印和矿物泡沫固化过程中复杂材料行为的方法。
这种新颖的制造方法可以对资源和能源的负责任和可持续利用产生积极影响。F3DP 使得制造几何形状复杂的泡沫部件成为可能，而这些部件以前效率低且成本高昂。它可以将 3DP 的几何自由度与铸造材料的结构强度结合起来。这项研究表明，打印泡沫组件适用于混凝土构件的固定模板应用，其几何形状经过优化，质量轻、材料用量少，因此碳含量低。由于需要支撑的重量减轻，建筑部分和总承重结构所需的材料更少，从而将所需的资源减少到两倍。此外，重量减轻也对建筑物流工作产生有利影响。
此外，用 F3DP 制成的定制泡沫组件可以直接用作绝缘建筑组件。全系列的建筑围护结构，包括楼板、屋顶、墙壁和过渡构件，都可以作为应用的目标。当涉及具有复杂几何形状的组件时，例如弧形立面面板和热优化墙壁，F3DP 将节省大量材料。除了上述节省材料之外，该应用程序还可以帮助建造使用更少能源的建筑物。所提议的材料进步、创新制造技术和几何优化建筑组件的结合，从而解决了未来可持续建筑的能源和资源负责任的消耗问题。