第4章

共性打印支撐技術華中科技大學目錄01

/常用打印設計與規(guī)劃軟件概述02/面向打印的建筑結(jié)構(gòu)設計03/打印模型切片處理04/打印填充路徑規(guī)劃14.1常用打印設計與規(guī)劃軟件概述4.1.1/打印對象設計與建模軟件4.1.2/打印模型切片與路徑規(guī)劃軟件14.1.1打印對象設計與建模軟件建筑3D打印遵循一般增材制造的工作原理和流程，由打印對象的三維計算機圖形驅(qū)動。三維計算機圖形通常是利用三維造型軟件創(chuàng)建的數(shù)字模型，這個建模過程主要是打印對象形狀和尺寸的設計，可涉及構(gòu)造實體幾何、NURBS建模、多邊形建模、隱函數(shù)曲面等多種不同的建模技術。生成的三維圖形通常以三角或多邊形網(wǎng)格曲面（互相連接的面網(wǎng)絡）的形式存在，這通常通過“剖分”過程得到，即把物體的幾何轉(zhuǎn)換到一個（球面的）面網(wǎng)格進行表示的過程。常見的三維造型軟件包括犀牛（Rhinoceros3D）、AutodeskRevit、Solidworks、AutodeskFusion等。建筑3D打印建模軟件1Rhinoceros3D軟件概述Rhinoceros3D（犀牛）是一套專業(yè)的三維立體模型制作軟件，簡稱Rhino3D。Rhino3D所提供的曲面工具可以精確地制作所有用來作為彩現(xiàn)、動畫、工程圖、分析評估以及生產(chǎn)用的模型。Rhino3D軟件已廣泛用于：工業(yè)設計、珠寶設計、交通工具、玩具設計、建筑設計等相關產(chǎn)業(yè)。Rhino工具集Grasshopper插件4.1.1打印對象設計與建模軟件1AutodeskRevit軟件概述AutodeskRevit，是一款為建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、機電暖通工程師和承包商開發(fā)的一套建筑信息建模軟件。該軟件允許用戶以3D形式設計建筑物和結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件，使用2D繪圖構(gòu)件注釋模型，并從建筑模型的數(shù)據(jù)庫中訪問建筑信息。Revit參數(shù)化建模工具Dyn增材制造o圖形交互界面4.1.1打印對象設計與建模軟件1Solidworks軟件概述SOLIDWORKS是達索系統(tǒng)（DassaultSystèmesS.A.）旗下的SOLIDWORKS公司開發(fā)的，運行在微軟Windows平臺下的三維CAD軟件。SolidWorks是一個實體建模器，它采用基于參數(shù)特征的方法，該方法最初由PTC（Creo/Pro-Engineer）開發(fā)，用于創(chuàng)建3DCAD模型和構(gòu)件。該軟件使用Parasolid建模內(nèi)核。Solidworks軟件圖形交互界面4.1.1打印對象設計與建模軟件1AutodeskFusion軟件概述Fusion是一款商業(yè)計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(C增材制造)和計算機輔助工程仿真(CAE)軟件應用程序，由Autodesk開發(fā)。它適用于Windows、macOS和Web瀏覽器，并為Android和iOS提供簡化的應用程序。AutodeskFusion軟件圖形交互界面4.1.1打印對象設計與建模軟件1UltimakerCuraUltimakerCura是最早出現(xiàn)、使用率最高的開源免費切片軟件之一，Cura提供各種高度直觀的功能來簡化打印體驗，它與大多數(shù)桌面3D打印機兼容，可以處理最常見的3D格式的文件，例如STL、OBJ、X3D、3MF，以及圖像文件格式，例如BMP、GIF、JPG和PNG。UltimakerCura軟件圖形交互界面4.1.2打印模型切片與路徑規(guī)劃軟件1Simplyfy3DSimplify3D是一款需要付費使用的打印切片軟件。作為一款付費軟件，它的功能非常吸引人。例如，導入和修復功能允許用戶導入3D文件，并分析幾何圖形以幫助發(fā)現(xiàn)可能阻礙打印的模型網(wǎng)格錯誤。Simplify3D軟件圖形交互界面4.1.2打印模型切片與路徑規(guī)劃軟件1PrusaSlicerPrusaSlicer是一款主要為Prusa3D打印機設計的軟件，但同時支持市面上大多數(shù)主流品牌，例如Anycubic和Creality。它擁有簡潔直觀的用戶界面，同時具備強大功能。利用該軟件進行支撐體的創(chuàng)建是一個顯著亮點，用戶可以快速直觀地在模型上繪制自定義支撐，并使用自定義網(wǎng)格作為支撐阻擋器和執(zhí)行器。PrusaSlicer軟件圖形交互界面4.1.2打印模型切片與路徑規(guī)劃軟件1AutodeskPowerMillAutodeskPowerMill是一款在MicrosoftWindows上運行的3DC增材制造

解決方案，用于為Autodesk公司開發(fā)的五軸CNC（計算機數(shù)控）銑床或六軸工業(yè)機械臂編程工具路徑。該軟件用于各種不同的工程行業(yè)，以確定最佳噴嘴路徑，減少制造時間、成本以及噴嘴負載并產(chǎn)生光滑的表面光潔度。AutodeskPowerMill軟件圖形交互界面4.1.2打印模型切片與路徑規(guī)劃軟件14.2面向打印的建筑結(jié)構(gòu)設計4.2.1/常見的打印結(jié)構(gòu)類型4.2.2/打印結(jié)構(gòu)中的懸挑與斜度4.2.3/打印結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化1墻和柱結(jié)構(gòu)墻和柱是目前3D混凝土打?。?DCP）結(jié)構(gòu)最常見的形式，這主要是由于打印混凝土材料在無筋條件下很容易滿足抗壓性能的要求。作為最早且目前使用最廣泛的增材建造技術，輪廓工藝最早專注于承受壓縮荷載的墻體結(jié)構(gòu)的3D打印，由南加州大學（USC）的Khosnevis教授于2004年提出。輪廓工藝示意4.2.1常見的打印結(jié)構(gòu)類型1墻和柱結(jié)構(gòu)2015年，中國盈創(chuàng)建筑科技公司在蘇州工業(yè)園區(qū)利用輪廓工藝成功建造了世界最高的五層3D打印公寓，其中鋼筋剪力墻由打印完成。隨著輪廓工藝的發(fā)展，為了保證打印結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高結(jié)構(gòu)性能，打印的墻體輪廓（永久模板）內(nèi)部逐漸添加了桁架式腔體圖案，形成了波紋空心墻?；谳喞に嚨牟y空心墻示例4.2.1常見的打印結(jié)構(gòu)類型1墻和柱結(jié)構(gòu)對于輪廓工藝打印的柱體，除了規(guī)則截面混凝土柱外，還包括具有復雜墻體截面結(jié)構(gòu)幾何形狀的柱體。2015年，法國XtreeE設計并建造了一個不規(guī)則的空間桁架形柱（圖a），展示了3DCP技術的設計建造潛力。與此同時，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH）也與OrigenFestival合作，利用輪廓打印技術建造了多個不同形式的混凝土柱（圖b）。不同形式的混凝土柱4.2.1常見的打印結(jié)構(gòu)類型1墻和柱結(jié)構(gòu)Salet等人和Vantyghem等人充分利用截面的空腔，采用裝配式施工方法，先打印節(jié)段，而后組裝所有節(jié)段、植入預應力筋，最后用灌漿砂漿填充內(nèi)腔，如圖（a）所示。除了縱向鋼筋外，阿薩德等人也嘗試在打印過程中添加箍筋等橫向鋼筋，以滿足更高的承載力要求，如圖（b）所示。輪廓工藝打印構(gòu)件中的預應力筋4.2.1常見的打印結(jié)構(gòu)類型1墻和柱結(jié)構(gòu)此外，在建筑結(jié)構(gòu)設計中，仿生的概念經(jīng)常被應用，仿樹木設計是一個十分典型的例子。如果把一棵樹看成一個結(jié)構(gòu)，那么樹干和樹枝分別是豎向和水平向構(gòu)件。樹的每個部分的大小與該部分所受的壓力密切相關。由于枝根承受固定彎矩，演化出細枝端和粗枝根，這與結(jié)構(gòu)中的變截面懸挑梁類似。3D打印樹木結(jié)構(gòu)4.2.1常見的打印結(jié)構(gòu)類型1拱（殼）結(jié)構(gòu)采用輪廓工藝打印的拱橋具有較高的承載能力和結(jié)構(gòu)可靠度，但其缺點是自重較高，打印和組裝效率較低。3DCP拱橋具有重量輕、施工效率高的特點，拱形結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了3DCP的優(yōu)勢，并規(guī)避了當前3DCP植筋加固困難的問題，成為了目前打印橋梁的主要形式。3D打印橋梁4.2.1常見的打印結(jié)構(gòu)類型1梁和板結(jié)構(gòu)2017年，世界上第一座3DCP單跨簡支梁橋（圖（a））由BallisticArchitectureMachine（B增材制造）和埃因霍溫技術大學（TU/e）在Germat村聯(lián)合建造。圖（b）中的3DCP桁架梁于2019年由荷蘭Vertico公司和比利時根特大學合作完成。該梁是基于考慮恒定載荷作用和對稱性的拓撲優(yōu)化而專門設計的。3D打印混凝土梁板構(gòu)件4.2.1常見的打印結(jié)構(gòu)類型1梁和板結(jié)構(gòu)2017年，ETH設計了一種輕質(zhì)肋板（圖（a）），板的網(wǎng)格單元填充有3D打印的礦物泡沫。此外，ETH還開發(fā)了一種混凝土密肋樓板，稱為“智能樓板”（圖（b）），它由11個單元組成，單元之間有后張鋼筋。Hansemann等人將打印的空心底模具倒置在地面上，在其中布置鋼筋，最后澆注混凝土形成輕質(zhì)樓板（圖（c）），與普通樓板相比，此工藝可節(jié)省約30%~40%的混凝土使用量。3D打印樓板4.2.1常見的打印結(jié)構(gòu)類型1豎向打印結(jié)構(gòu)中的懸挑建筑系統(tǒng)中的豎向打印結(jié)構(gòu)（包括墻體、柱子、拱和部分豎向打印的梁等）的水平橫截面尺寸通常比它們的高度（沿垂直方向）小得多。對于具有恒定水平橫截面（2.5D）或隨著打印材料沉積而自下而上逐漸減小水平橫截面的構(gòu)件，一般要求每層以下具有足夠的支撐面，這在打印幾何復雜度方面被認為是“簡單”的。作為建筑圍護結(jié)構(gòu)的豎向墻體是最典型的此類構(gòu)件。不同研究團隊所實現(xiàn)的最大懸挑構(gòu)件4.2.2打印結(jié)構(gòu)中的懸挑與斜度1水平向打印結(jié)構(gòu)中的斜度與豎向構(gòu)件相比，水平向構(gòu)件如梁、板、殼體等的長度和/或?qū)挾缺绕涓叨龋ê穸龋┐蟮枚?。這種水平向構(gòu)件通常需要在足夠大的基面（材料支撐面）上完成打印。由于沉積材料完全由基面支撐，因此構(gòu)件的曲率（彎曲度）取決于基面的曲率。在這種情況下，在任意非平面基面上打印構(gòu)建彎曲的超薄構(gòu)件是一個難點，較為典型的例子是打印雙曲面薄板。不同研究組織實的最大打印傾斜角度4.2.2打印結(jié)構(gòu)中的懸挑與斜度1混凝土結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化對于利用水泥基材料來構(gòu)建拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)，不少研究人員做了相關的研究?？傮w上看，目前大多數(shù)拓撲優(yōu)化的混凝土結(jié)構(gòu)都依賴于模板，這導致額外的設計工作和后處理，因此可實現(xiàn)的拓撲優(yōu)化設計是相對有限的，我們需要一個處理3DCP各種制造約束的拓撲優(yōu)化框架?；炷?D打印的拓撲優(yōu)化設計4.2.3打印結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化1具有不同制造約束的拓撲優(yōu)化目前，許多研究已將懸挑角度約束集成到拓撲優(yōu)化框架中。與傳統(tǒng)的增材制造方法相比，3DCP的懸挑約束要嚴格得多，值得注意的是，90°懸挑約束與澆筑約束相同，其在拓撲優(yōu)化框架內(nèi)的集成已被廣泛研究?；旌贤負鋬?yōu)化算法過程4.2.3打印結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化14.3打印模型切片處理4.3.1/單向平行切片4.3.2/多方向平行切片4.3.3/非平行切片1尖點高度法單向平行切片是最基本的增材制造切片方法。待切片的CAD模型通常為STL格式，一般由一系列等距（或不等距）的平行平面與模型進行求交操作形成各材料沉積層，層的法線方向和層厚是該方法中的兩個關鍵參數(shù)。這些切片平面的法線方向由用戶預定義、層厚由尖點高度法確定，該方法自Dolenc和M?kel?于1994年首次提出以來已被研究人員廣泛使用。該方法根據(jù)預設的尖點高度來計算層厚。尖點高度法示意4.3.1單向平行切片1輪廓外推法與等厚平行切片法相比，自適應切片法通過考慮模型沿打印構(gòu)建方向的幾何形狀來改變層厚，以提高表面質(zhì)量并最大限度地縮短構(gòu)建時間。輪廓外推法根據(jù)部件的幾何形狀使用可變層厚來實現(xiàn)實體模型的自適應切片。在此方法中，層厚是通過從前一層外推來確定的。在前一層的基礎上，使用擬合球體來近似下一層的真實表面，并且層厚由該球體以預設的尖點高度公差確定。輪廓外推法示意4.3.1單向平行切片1逐步均勻細化法逐步均勻細化法是由Sabourin等人使用插值法（而非輪廓外推法）提出的。該方法首先將模型切成厚的、均勻的板，最大可接受層厚為Lmax。然后，每塊厚板根據(jù)需要進一步均勻切片，以達到理想的表面精度。逐步均勻細化法示意4.3.1單向平行切片1精確外部-快速內(nèi)部切片法精確外部-快速內(nèi)部切片法由Sabourin等人提出，以實現(xiàn)更精確的表面和更短的構(gòu)建時間。部件的外部區(qū)域采用薄層構(gòu)建，以制造所需的精確部件表面，而內(nèi)部區(qū)域則采用厚層構(gòu)建，以減少構(gòu)建時間，如下圖所示。自適應層厚用于實現(xiàn)所需的表面區(qū)域準確性。因此，該方法提高了構(gòu)建效率，而不會降低表面質(zhì)量。精確外部-快速內(nèi)部切片原理4.3.1單向平行切片1局部自適應切片法局部自適應切片法是從傳統(tǒng)自適應切片法發(fā)展而來的，旨在進一步減少打印時間，同時保持所需的表面質(zhì)量。傳統(tǒng)自適應切片法在垂直方向上考慮幾何特征，并且對每層使用均勻的層厚，而不考慮水平方向上的特征差異。局部自適應切片法識別復雜部件的各個幾何特征，并分別確定同一水平層內(nèi)每個特征的層厚。在同一水平層內(nèi)使用不同的層厚4.3.1單向平行切片1首先簡化模型即處理模型中的任意孔洞，檢測特征邊緣并順序連接以形成邊界輪廓；然后，識別內(nèi)環(huán)和外環(huán)；最后，用新的三角形網(wǎng)格填補這些孔?？锥刺畛浜?，根據(jù)模型中的凹邊界輪廓來分割模型，獲得一組沒有任何凹輪廓的子區(qū)域，接著利用拓撲信息和特征區(qū)域?qū)⒆訁^(qū)域重新合并成有序組以進行切片。分解重組示例和深度樹結(jié)構(gòu)4.3.2多方向平行切片分解重組切片法1Ding等人提出了一種新穎有效的非分層切片方法，主要用于制造復雜旋轉(zhuǎn)式部件。該制造系統(tǒng)由一個六軸機械臂和一個耦合的兩軸傾斜-旋轉(zhuǎn)工作臺組成。通過將懸挑結(jié)構(gòu)映射到平面底座，在柱坐標系下進行切片操作。這類旋轉(zhuǎn)部件通常是由一個核心體和多個懸挑結(jié)構(gòu)組成，例如刀片、螺旋槳和刀頭。核心體可通過圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)平面部分生成。柱坐標切片原理4.3.3非平行切片柱坐標系非分層切片法14.4打印混凝土固化后性能測試打印填充路徑規(guī)劃4.4.1/路徑規(guī)劃的基本指標4.4.2/二維平面上的填充路徑規(guī)劃4.4.3/三維曲面上的填充路徑規(guī)劃4.4.4/基于仿生設計與拓撲優(yōu)化的填充路徑規(guī)劃1路徑連續(xù)性當噴嘴沿某打印路徑行進時，材料會沿著該路徑連續(xù)沉積形成條狀，則該路徑稱為“工作路徑”；在前后兩條工作路徑之間存在“跳轉(zhuǎn)路徑”，即噴嘴沿跳轉(zhuǎn)路徑（并不進行材料沉淀）從一個工作路徑轉(zhuǎn)移至下一個工作路徑。路徑連續(xù)性是指噴嘴路徑在保持沉積材料狀態(tài)上的連貫性，可以通過單位長度的工作路徑線段數(shù)來衡量（線段數(shù)越小，噴嘴路徑連續(xù)性越高）。輪廓噴嘴路徑中的工作路徑及其跳轉(zhuǎn)路徑4.4.1路徑規(guī)劃的基本指標1路徑平滑度當打印噴嘴通過曲率變化較大的路徑時，需要更多時間進行減速和加速，且同步控制噴嘴移動速度和材料擠出流量，容易產(chǎn)生欠填充/過填充。路徑平滑度表征了單位長度內(nèi)路徑發(fā)生較大曲率變化的頻率。噴嘴路徑拐角處的急劇曲率變化4.4.1路徑規(guī)劃的基本指標1平行線路徑模式平行線路徑模式通過沿單一方向投射平面射線，簡單、高效且穩(wěn)健，適用于任何邊界形狀，但其層內(nèi)填充精度較低。為解決這一問題，多方向平行線路徑模式應運而生。為了提高力學性能，網(wǎng)格填充模式被用于增強相鄰層之間的粘結(jié)強度。然而，該模式的噴嘴路徑較多，增加了打印時間。隨后，“之”字形路徑被提出，它將獨立的平行線首尾連接成連續(xù)路徑，提高了打印效率。平行線路徑模式填充的圖形4.4.2二維平面上的填充路徑規(guī)劃1連續(xù)路徑模式Chao等人提出了一種新型的連續(xù)路徑填充算法，該算法基于用希爾伯特曲線填充的網(wǎng)格方法，如下圖所示。它可以提高表面質(zhì)量，減少不必要的填充行程，減少噴嘴啟動和停止時間，從而減少部件中的殘余熱應力及其導致的翹曲變形。連續(xù)路徑模式4.4.2二維平面上的填充路徑規(guī)劃1波紋路徑模式有時，薄壁部件的打印層具有窄而長的橫截面形狀，平行路徑策略下的各向異性強度分布會導致力學性能不佳。因此，Jin等人提出了另一種連續(xù)填充模式，即波紋形噴嘴路徑，以減弱對沉積時間和填充質(zhì)量的負面影響。該策略用波紋圖案填充整個圖形內(nèi)部區(qū)域，如下圖所示。波紋形路徑模式4.4.2二維平面上的填充路徑規(guī)劃1雙向連續(xù)路徑為了縮短打印時間、提升路徑的連續(xù)性，可采用一種往復式雙向填充策略為簡單區(qū)域生成一條連續(xù)路徑，起點直接連接到終點。類似費馬螺旋線，該路徑的特點是路徑長、曲率低、質(zhì)量好、效率高。然而，這種方法在處理切片層中出現(xiàn)離散的多個封閉圖形時會失效。一般來說，雙向連續(xù)路徑模式會提高打印層的幾何精度，使得噴嘴啟動和停止時間更少。雙向連續(xù)路徑4.4.2二維平面上的填充路徑規(guī)劃1中性軸路徑傳統(tǒng)