供稿人：曹漢杰、田小永 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-12-09
21世紀是建筑生產(chǎn)領域數(shù)字化轉型的開始，在第四次工業(yè)革命的技術中，增材制造是最具前途的工具之一，從可持續(xù)發(fā)展的角度對建筑過程進行了革新。目前3D打印多用于建筑結構的外部形狀制造，關于復雜內部幾何形狀的3D打印磚的設計與可打印性的科學研究完全缺失，3D打印磚在建筑生產(chǎn)方面的潛力仍然未知。
巴倫西亞政治大學霍爾米貢科學與技術研究所的瓦倫迪亞·桑喬吉奧與巴里理工大學的法比奧·帕里西等人首次探討了實現(xiàn)新的3D打印粘土磚的可能性，將這些復雜內部幾何形狀粘土磚用于建筑施工，在保證優(yōu)異機械性能與能量吸收能力的前提下減少耗材，達到可持續(xù)發(fā)展的效果。并提出了一種3D打印粘土磚的新穎概念設計與原型設計如圖1（a）所示，包括三個主要步驟。
第一階段，在尊重經(jīng)典結構磚的外形尺寸和內壁厚度的基礎上概念設計研究如何在通過3D打印實現(xiàn)的粘土磚設計中包含最小的表面，并通過算法輔助設計生成新粘土磚的參數(shù)模型。
第二階段，開發(fā)一種參數(shù)化建模軟件來實現(xiàn)粘土磚的3D打印模擬，以確定合適設計與粘土磚最佳最小表面配置和其他幾何參數(shù)，并在Abaqus中生成適合驗證可打印性的FEM仿真的輸入文件。所選用幾何形狀具有高機械性能和良好的能量吸收能力。
第三階段，選擇最佳的可打印磚配置進行有效的原型設計，以實現(xiàn)3D打印粘土磚的原型并驗證所執(zhí)行的分析。作者在三種不同的內部幾何結構中研究了六種不同的最小表面形狀，進行了18組粘土磚的驗證，確定出最合適、最有前途的幾何形狀為鉆石型如圖1（b）中第二列所示。
圖1 3D打印粘土磚概念設計步驟與原型驗證圖