建筑復(fù)雜構(gòu)件3D打印的傳統(tǒng)工藝技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李森萍，馮建行

(廣東碧桂園職業(yè)學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511510)

隨著我國3D打印技術(shù)的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。但簡單的3D打印技術(shù)具有局域性，在很多方面受到了限制。特別是將3D打印技術(shù)運(yùn)用在建筑構(gòu)件打印時(shí)，受3D打印技術(shù)局域性影響，只能完成簡單構(gòu)件的打印，對(duì)于一些復(fù)雜構(gòu)件的打印確是有心無力。因此，對(duì)3D打印在建筑行業(yè)的創(chuàng)新是現(xiàn)在很有必要的一個(gè)研究課題。從施工工藝出發(fā)，希望通過優(yōu)化混凝土3D打印施工工藝，對(duì)混凝土構(gòu)件打印過程進(jìn)行優(yōu)化；從混凝土3D打印材料出發(fā)，從材料配合比、可打印性、可建造性、使用性能和工程應(yīng)用5個(gè)方面探討了3D打印纖維混凝土存在的問題和發(fā)展趨勢；從結(jié)構(gòu)出發(fā)，證實(shí)3D打印結(jié)構(gòu)柱與普通鋼筋混凝土柱的破壞模式類似,但承載力降低10%～20%，跨中最大撓度隨著偏心距的增大其增幅略微增大?；诖?，本文嘗試通過數(shù)據(jù)建模與3D打印技術(shù)集合，設(shè)計(jì)并制造了轉(zhuǎn)臂式混凝土3D打印機(jī)，對(duì)復(fù)雜混凝土構(gòu)件進(jìn)行分割，然后分步進(jìn)行打印，完成復(fù)雜混凝土構(gòu)件的3D打印。

1 混凝土構(gòu)件建模打印基本工作流程

混凝土構(gòu)建建模主要包括建模、參數(shù)優(yōu)化、切片處理和路徑規(guī)劃以及打印成型。建模是根據(jù)不同模型特點(diǎn)，選擇適合的三維建模工具，根據(jù)打印構(gòu)件要求建立精準(zhǔn)三維模型。模型的參數(shù)優(yōu)化主要是對(duì)打印機(jī)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。主要從設(shè)備和材料方面探究工藝參數(shù)對(duì)模型產(chǎn)生的影響，通過打印機(jī)特點(diǎn)優(yōu)化三維模型；對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)打印成型目標(biāo)，對(duì)構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)行提高。切片處理和路徑規(guī)劃是對(duì)優(yōu)化后的三維模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化、切片。然后規(guī)劃層片信息的打印路徑，生成G代碼。打印成型是把切片后G代碼導(dǎo)入打印機(jī)的控制器，調(diào)整打印機(jī)位置，待供應(yīng)打印材料后，啟動(dòng)打印機(jī)。

具體工作流程如圖1所示。

圖1 混凝土構(gòu)件建模打印工作流程圖

2 三維模型建立

2.1 三維模型軟件選擇

本文選擇AutoCAD軟件為三維建模軟件。該軟件能夠?qū)⑷S實(shí)體模型導(dǎo)出STL文件格式，對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程起簡化作用；具體如圖2所示。

圖2 AutoCAD軟件導(dǎo)出STL文件格式方法

2.2 三維模型建立

本文以某小禮堂作為原型建立三維模型。該模型墻體為圓弧形，屋頂為蒼穹狀。通過 Sketchup軟件繪制出草圖后，用AutoCAD軟件同比縮小其比例，建立精確的縮尺三維模型；具體模型如圖3所示。

圖3 小禮堂CAD圖

3 參數(shù)優(yōu)化

3.1 新型轉(zhuǎn)臂式3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

新型轉(zhuǎn)臂式3D打印機(jī)主要包括控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和送料系統(tǒng)3個(gè)部分。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由一根豎直立柱和一根懸臂、三臺(tái)電機(jī)構(gòu)成。電機(jī)對(duì)豎直立柱起牽引作用，使之進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；豎直絲桿牽引懸臂梁沿豎直立柱上下轉(zhuǎn)動(dòng)；抖斗安裝在懸梁臂上，在梁上軌道進(jìn)行移動(dòng)。送料主要有混凝土輸送泵、輸送管、帶噴頭料斗、電機(jī)。在料斗上方安裝電機(jī)，對(duì)噴頭出料速度進(jìn)行控制；螺栓連接打印噴頭和料斗，根據(jù)需求更換不同內(nèi)徑的噴頭?？刂葡到y(tǒng)主要包括DH3型伺服驅(qū)動(dòng)器中智能功率模塊，以及2500線增量編碼器。具體打印原理示意圖，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)臂式打印機(jī)原理圖

3.2 復(fù)雜構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)

受目前3D打印技術(shù)限制，無法完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜尺寸較大的物件，因此需要對(duì)構(gòu)件模型進(jìn)行分割。按照特定算法分割復(fù)雜構(gòu)件模型，使之成為若干個(gè)形狀簡單，尺寸小的塊狀，通過打印機(jī)打印后，在根據(jù)規(guī)律將其進(jìn)行組裝。本文選擇基于蜂窩單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法優(yōu)化模型分割。應(yīng)力分布由有限元分析得到，密度函數(shù)定義和內(nèi)部單元?jiǎng)澐滞ㄟ^應(yīng)力分布結(jié)果定義，目標(biāo)是強(qiáng)度質(zhì)量比最大值，得到最大空化參數(shù)。該分割方法具有耗材少、強(qiáng)度高的特點(diǎn)；具體結(jié)構(gòu)支撐如圖5所示。

圖5 內(nèi)部蜂窩狀結(jié)構(gòu)支撐

3.3 打印路徑優(yōu)化

本文主要選擇蟻群算法對(duì)3D打印機(jī)打印路徑進(jìn)行優(yōu)化。

蟻群算法基本原理

設(shè)蟻群算法螞蟻數(shù),待訪問節(jié)點(diǎn)數(shù)為，節(jié)點(diǎn)間的距離為(，=1,2,…，)，在時(shí)刻節(jié)點(diǎn)與連接路徑上信息素濃度為，()。設(shè)初始節(jié)點(diǎn)間具備相同信息濃度，則，(0)=。

訪問城市由螞蟻(=1,2，…，)通過節(jié)點(diǎn)間連接路徑上信息濃度決定。時(shí)刻，螞蟻從節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移至節(jié)點(diǎn)概率表達(dá)式為：

(1)

式中，，()表示啟發(fā)函數(shù)；，()=1，，表示螞蟻節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)的期望程度；(=1,2，…，)表示螞蟻下一個(gè)可能訪問的節(jié)點(diǎn)集合；ɑ表示信息素重要程度因子；表示啟發(fā)函數(shù)重要程度因子。

在螞蟻轉(zhuǎn)移時(shí)，螞蟻釋放信息素，節(jié)點(diǎn)間連接路徑上的信息素慢慢的消失。當(dāng)全部螞蟻進(jìn)行一次循環(huán)后，調(diào)整路徑上各信息素濃度，則+時(shí)刻節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)連接路徑上信息素量可調(diào)整為：

，(+)=(1-)，()+，(,+)

(2)

(3)

本文選擇Ant-Cycle 模型求解螞蟻釋放信息素，其表達(dá)式為：

(4)

式中：為信息素強(qiáng)度；為螞蟻在該循環(huán)中路徑總長度。

路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)步驟

(1)參數(shù)初始化。初始化相關(guān)參數(shù)，量節(jié)點(diǎn)間距離通過節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置計(jì)算，得到對(duì)稱距離矩陣；因?yàn)閱l(fā)函數(shù)，()=1，，為避免分母為0，在對(duì)角線上的0賦予較小正數(shù)；

(2)解空間構(gòu)建。在不同節(jié)點(diǎn)投放不同螞蟻，螞蟻(=1,2，…，)通過轉(zhuǎn)移概率公式確定下一個(gè)帶訪問節(jié)點(diǎn)，待所有螞蟻訪問完所有節(jié)點(diǎn)后，完成一組路徑構(gòu)造；

(3)信息素更新，最優(yōu)解記錄。計(jì)算一個(gè)螞蟻所走路徑總長(=1，2，…，)，通過對(duì)每個(gè)城市路徑信息素濃度進(jìn)行調(diào)整更新，得到最短路徑；

(4)判斷終止情況。當(dāng)?shù)螖?shù)最大，則終止計(jì)算，輸出最優(yōu)解。若達(dá)不到最優(yōu)解則需要返回第2步。

3.4 模型數(shù)據(jù)切片處理

適應(yīng)性分層切片算法

適應(yīng)性分層切片算法對(duì)臺(tái)階效應(yīng)有減小作用，對(duì)加工時(shí)間不會(huì)增加，但無法去除臺(tái)階效應(yīng)的影響。STL模型的幾何特征決定適應(yīng)性切片厚度，打印試件存在明顯輪廓變化時(shí)，所需厚度小；反之，則所需厚度大。適應(yīng)性層厚切片的評(píng)價(jià)指標(biāo)為切片形成的相鄰兩層面的面積變化比，當(dāng)相鄰兩層開面的面積變化比大于預(yù)設(shè)值，則需適當(dāng)按照比例切片厚度，重新切片，切片厚度最小即可；具體流程如圖6所示。

圖6 適應(yīng)性分層切片算法流程

設(shè)第層層面截面面積為，上一層面積為-1；面積變化比的預(yù)設(shè)值為，則需要滿足式(5)，切片結(jié)束。若不滿足式(5)，則需要減小切片厚度重新進(jìn)行切片。

(5)

層片數(shù)據(jù)處理——路徑規(guī)劃

模型打印質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度和成型效率直接受打印路徑的影響，因此需要對(duì)打印路徑進(jìn)行規(guī)劃。一般來說，打印路徑規(guī)劃主要是對(duì)外部輪廓和內(nèi)部填充路徑進(jìn)行規(guī)劃。規(guī)劃打印路徑，能避免打印路徑的交叉和重疊現(xiàn)象，還能夠減少打印路徑過程的拐角數(shù)量，這樣就避免了在打印時(shí)方向和速度突變情況。

切片處理軟件介紹

本文選擇的切片處理軟件為Cura。該切片軟件具有切片速度快、切片穩(wěn)定、包容性強(qiáng)和設(shè)置參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。該軟件主要包括模型處理、G代碼生成以及切片。默認(rèn)層厚為0.1 mm，層數(shù)為模型高度/層厚。載入模型后，軟件開始切片和計(jì)算打印需要的時(shí)間、耗材質(zhì)量和耗材的長度，在軟件視圖區(qū)右上角位置進(jìn)行顯示。切片輪廓和路徑使用不同顏色進(jìn)行標(biāo)識(shí)。改變模型模式時(shí)，Cura軟件重新進(jìn)行切片。

4 應(yīng)用實(shí)例

某圓形管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)徑50 cm，外徑80 cm，壁厚15 cm，高15 cm。因其特殊結(jié)構(gòu)，不能用澆筑成型，故使用混凝土3D打印技術(shù)建造。具體步驟為：

(1)對(duì)模型進(jìn)行分層切片處理，分為層厚為15 mm的10層。對(duì)分層后模型內(nèi)進(jìn)行層片信息處理；

(2)平面模型線條為3 cm，可滿足轉(zhuǎn)臂式3D打印機(jī)工作需求，可采用單線條打印。提前描述平面模型，求出格柵小方格中心點(diǎn)坐標(biāo)，一共276節(jié)點(diǎn)，以此來規(guī)劃打印路徑；

(3)采用基于蟻群算法的完全遍歷路徑規(guī)劃算法提前規(guī)劃其最短路徑。經(jīng)過計(jì)算可知，該模型最短路徑為7 699.135 6 mm，經(jīng)過320次迭代后，得到最優(yōu)解；

(4)按照算法路徑對(duì)規(guī)劃路徑進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后路徑為最優(yōu)路徑，噴頭不出現(xiàn)空轉(zhuǎn)跳躍情況。但拐角多，頻繁轉(zhuǎn)彎導(dǎo)致打印機(jī)穩(wěn)定性減?。?/p>

(5)將最佳打印路徑生成G代碼，導(dǎo)入3D打印機(jī)后開始進(jìn)行打印。為保證成型質(zhì)量，再次對(duì)最佳路徑進(jìn)行調(diào)整，先打印出內(nèi)外2個(gè)圓弧，然后打印內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)。經(jīng)過調(diào)整后，噴頭路徑總長度為7 790 mm且存在一次跳躍。打印后成品如圖7所示。打印構(gòu)件整體未見明顯缺陷，證實(shí)該3D打印機(jī)可行。

圖7 打印成型效果

5 結(jié)語

本文通過建模、參數(shù)優(yōu)化、切片處理和路徑規(guī)劃以及打印成型等方面對(duì)復(fù)雜造型混凝土構(gòu)件打印成型進(jìn)一步優(yōu)化，具體結(jié)論為：

(1)選擇AutoCAD軟件為三維建模軟件，在格柵地圖描述平面模型。通過節(jié)點(diǎn)的計(jì)算規(guī)劃其最優(yōu)路徑；

(2)設(shè)計(jì)并制造了轉(zhuǎn)臂式混凝土3D打印機(jī)，設(shè)置模型時(shí)，提前用Cura軟件對(duì)其路徑進(jìn)行切片規(guī)劃，然后采用基于蟻群算法的完全遍歷路徑規(guī)劃算法規(guī)劃其最短路徑；

(3)將最短路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化，生成G代碼，導(dǎo)入3D打印機(jī)后開始進(jìn)行打印。打印構(gòu)件整體未見明顯缺陷，證實(shí)該3D打印技術(shù)可行。