建筑复杂构件3D打印的传统工艺技术优化设计

2022-09-28李森萍冯建行

粘接 2022年9期

李森萍，冯建行

(广东碧桂园职业学院，广东清远 511510)

随着我国3D打印技术的发展，在各个领域得到了广泛运用。但简单的3D打印技术具有局域性，在很多方面受到了限制。特别是将3D打印技术运用在建筑构件打印时，受3D打印技术局域性影响，只能完成简单构件的打印，对于一些复杂构件的打印确是有心无力。因此，对3D打印在建筑行业的创新是现在很有必要的一个研究课题。从施工工艺出发，希望通过优化混凝土3D打印施工工艺，对混凝土构件打印过程进行优化；从混凝土3D打印材料出发，从材料配合比、可打印性、可建造性、使用性能和工程应用5个方面探讨了3D打印纤维混凝土存在的问题和发展趋势；从结构出发，证实3D打印结构柱与普通钢筋混凝土柱的破坏模式类似,但承载力降低10%～20%，跨中最大挠度随着偏心距的增大其增幅略微增大。基于此，本文尝试通过数据建模与3D打印技术集合，设计并制造了转臂式混凝土3D打印机，对复杂混凝土构件进行分割，然后分步进行打印，完成复杂混凝土构件的3D打印。

1 混凝土构件建模打印基本工作流程

混凝土构建建模主要包括建模、参数优化、切片处理和路径规划以及打印成型。建模是根据不同模型特点，选择适合的三维建模工具，根据打印构件要求建立精准三维模型。模型的参数优化主要是对打印机工艺参数进行优化。主要从设备和材料方面探究工艺参数对模型产生的影响，通过打印机特点优化三维模型；对打印参数进行设置，可实现打印成型目标，对构件质量进行提高。切片处理和路径规划是对优化后的三维模型进行转化、切片。然后规划层片信息的打印路径，生成G代码。打印成型是把切片后G代码导入打印机的控制器，调整打印机位置，待供应打印材料后，启动打印机。

具体工作流程如图1所示。

图1 混凝土构件建模打印工作流程图

2 三维模型建立

2.1 三维模型软件选择

本文选择AutoCAD软件为三维建模软件。该软件能够将三维实体模型导出STL文件格式，对数据转换过程起简化作用；具体如图2所示。

图2 AutoCAD软件导出STL文件格式方法

2.2 三维模型建立

本文以某小礼堂作为原型建立三维模型。该模型墙体为圆弧形，屋顶为苍穹状。通过 Sketchup软件绘制出草图后，用AutoCAD软件同比缩小其比例，建立精确的缩尺三维模型；具体模型如图3所示。

图3 小礼堂CAD图

3 参数优化

3.1 新型转臂式3D打印机设计

新型转臂式3D打印机主要包括控制系统、运动机构和送料系统3个部分。运动机构由一根竖直立柱和一根悬臂、三台电机构成。电机对竖直立柱起牵引作用，使之进行转动；竖直丝杆牵引悬臂梁沿竖直立柱上下转动；抖斗安装在悬梁臂上，在梁上轨道进行移动。送料主要有混凝土输送泵、输送管、带喷头料斗、电机。在料斗上方安装电机，对喷头出料速度进行控制；螺栓连接打印喷头和料斗，根据需求更换不同内径的喷头。控制系统主要包括DH3型伺服驱动器中智能功率模块，以及2500线增量编码器。具体打印原理示意图，如图4所示。

图4 转臂式打印机原理图

3.2 复杂构件优化设计

受目前3D打印技术限制，无法完成结构复杂尺寸较大的物件，因此需要对构件模型进行分割。按照特定算法分割复杂构件模型，使之成为若干个形状简单，尺寸小的块状，通过打印机打印后，在根据规律将其进行组装。本文选择基于蜂窝单元的内部结构优化算法优化模型分割。应力分布由有限元分析得到，密度函数定义和内部单元划分通过应力分布结果定义，目标是强度质量比最大值，得到最大空化参数。该分割方法具有耗材少、强度高的特点；具体结构支撑如图5所示。

图5 内部蜂窝状结构支撑

3.3 打印路径优化

本文主要选择蚁群算法对3D打印机打印路径进行优化。

蚁群算法基本原理

设蚁群算法蚂蚁数,待访问节点数为，节点间的距离为(，=1,2,…，)，在时刻节点与连接路径上信息素浓度为，()。设初始节点间具备相同信息浓度，则，(0)=。

访问城市由蚂蚁(=1,2，…，)通过节点间连接路径上信息浓度决定。时刻，蚂蚁从节点转移至节点概率表达式为：

(1)

式中，，()表示启发函数；，()=1，，表示蚂蚁节点转移到节点的期望程度；(=1,2，…，)表示蚂蚁下一个可能访问的节点集合；ɑ表示信息素重要程度因子；表示启发函数重要程度因子。

在蚂蚁转移时，蚂蚁释放信息素，节点间连接路径上的信息素慢慢的消失。当全部蚂蚁进行一次循环后，调整路径上各信息素浓度，则+时刻节点与节点连接路径上信息素量可调整为：

，(+)=(1-)，()+，(,+)

(2)

(3)

本文选择Ant-Cycle 模型求解蚂蚁释放信息素，其表达式为：

(4)

式中：为信息素强度；为蚂蚁在该循环中路径总长度。

路径规划算法实现步骤

(1)参数初始化。初始化相关参数，量节点间距离通过节点坐标位置计算，得到对称距离矩阵；因为启发函数，()=1，，为避免分母为0，在对角线上的0赋予较小正数；

(2)解空间构建。在不同节点投放不同蚂蚁，蚂蚁(=1,2，…，)通过转移概率公式确定下一个带访问节点，待所有蚂蚁访问完所有节点后，完成一组路径构造；

(3)信息素更新，最优解记录。计算一个蚂蚁所走路径总长(=1，2，…，)，通过对每个城市路径信息素浓度进行调整更新，得到最短路径；

(4)判断终止情况。当迭代次数最大，则终止计算，输出最优解。若达不到最优解则需要返回第2步。

3.4 模型数据切片处理

适应性分层切片算法

适应性分层切片算法对台阶效应有减小作用，对加工时间不会增加，但无法去除台阶效应的影响。STL模型的几何特征决定适应性切片厚度，打印试件存在明显轮廓变化时，所需厚度小；反之，则所需厚度大。适应性层厚切片的评价指标为切片形成的相邻两层面的面积变化比，当相邻两层开面的面积变化比大于预设值，则需适当按照比例切片厚度，重新切片，切片厚度最小即可；具体流程如图6所示。

图6 适应性分层切片算法流程

设第层层面截面面积为，上一层面积为-1；面积变化比的预设值为，则需要满足式(5)，切片结束。若不满足式(5)，则需要减小切片厚度重新进行切片。

(5)

层片数据处理——路径规划

模型打印质量、强度、刚度和成型效率直接受打印路径的影响，因此需要对打印路径进行规划。一般来说，打印路径规划主要是对外部轮廓和内部填充路径进行规划。规划打印路径，能避免打印路径的交叉和重叠现象，还能够减少打印路径过程的拐角数量，这样就避免了在打印时方向和速度突变情况。

切片处理软件介绍

本文选择的切片处理软件为Cura。该切片软件具有切片速度快、切片稳定、包容性强和设置参数少等优点。该软件主要包括模型处理、G代码生成以及切片。默认层厚为0.1 mm，层数为模型高度/层厚。载入模型后，软件开始切片和计算打印需要的时间、耗材质量和耗材的长度，在软件视图区右上角位置进行显示。切片轮廓和路径使用不同颜色进行标识。改变模型模式时，Cura软件重新进行切片。