2014年6月24日，荷蘭荷蘭的工程一個工程師團隊不得不面對新的挑戰(zhàn)，他們正在為海牙的師嘗試鋼術(shù)一個照明項目設(shè)計張拉整體結(jié)構(gòu)，但是材料整個結(jié)構(gòu)和電纜構(gòu)成的錯綜復雜網(wǎng)絡(luò)導致結(jié)構(gòu)中處處存在著不規(guī)則鏈接和特殊結(jié)構(gòu)角度。這意味著所有完成連接功能的印技節(jié)點結(jié)構(gòu)件設(shè)計在造型上互相之間都是有差別的--也就是說，1200個連接件沒有一個形狀是荷蘭重復的!

“您可以想象，這種情況下工作量可真是工程有點大”，Arup工程公司在阿姆斯特丹辦公室的師嘗試鋼術(shù)高級設(shè)計師(工程師)Salome Galjaard如是說。

該團隊拼命工作，材料全力以赴把每個連接件的印技造型逐一落實，最終完成了對承包商的荷蘭1200個構(gòu)件造型設(shè)計的交付生產(chǎn)。但項目結(jié)束后，工程整個團隊開始反思，師嘗試鋼術(shù)在未來是材料否可以采用逐層黏合制造技術(shù)--也就是我們常說的3D打印，來完成上述情況的印技新解決方案?

“我們覺得以后這種情況很可能越來越多，所以為什么不就這個問題開展一個內(nèi)部研究呢?有沒有更好的方式來快速批量生產(chǎn)這種有局部區(qū)別的大量構(gòu)件?”Galjaard說。

混凝土的3D打印仍然處于早期試驗狀態(tài)，但是在建筑業(yè)實際上已經(jīng)處于領(lǐng)先了。研究人員已經(jīng)用3D打印完成了特殊曲線的板型、復雜雕塑、甚至小型整體結(jié)構(gòu)的試驗。迄今為止3D混凝土打印甚至有幾個完全不同的實現(xiàn)方法正在同步研發(fā)。其中之一就是通過在混凝土與砂石及聚合物的特殊混合材料上噴涂催化劑來實現(xiàn)。另一個實現(xiàn)方法是在已經(jīng)成型的混凝土層上繼續(xù)壓上新的濕水泥。

插圖1：一個項目上需要1200個采用傳統(tǒng)機加工制造的零件，每一個零件的造型都是獨一無二的。這個項目激發(fā)了工程師們對于逐層黏合制造技術(shù)的展望。

插圖2：這個漂亮的3D打印構(gòu)件實現(xiàn)了制造過程的最高效率優(yōu)化，而不是為了好看。

金屬和鋼材料的逐層黏合技術(shù)完全不同。Galjaard解釋了目前正在試驗的方法，將一層非常薄的合金粉末放置于邊長40CM立方體的空腔中。通過一束激光對粉末進行照射，根據(jù)計算機模型中設(shè)計好的位置進行局部加熱，隨后不斷加入更多粉末并伴隨激光照射。每一次激光照射之后，不但會融化合金粉末，而是連已經(jīng)成型的下層金屬一同加熱融化，直到上下層的熔接徹底完成。

成品成型后從空腔內(nèi)取出，而余下的粉末將被回收，根據(jù)其配方還能重復使用10到100次。最終回收利用率是有限的，即使蓬松的粉末沒有直接被激光照射過，也因為在生產(chǎn)腔中受熱變質(zhì)而無法反復使用。

航空航天已經(jīng)是該技術(shù)的先驅(qū)，用于避免在造價高昂的高強度輕型材料在生產(chǎn)中的浪費。

“我們的挑戰(zhàn)是找到如何設(shè)計這種產(chǎn)品的方法，”Galjaard回憶道。“我們不想采用最初設(shè)計的節(jié)點構(gòu)件造型然后直接打印，因為這些原始造型師為了傳統(tǒng)生產(chǎn)加工工藝而設(shè)計的。于是我們從草圖開始，采用新的邊界條件，嘗試定義節(jié)點構(gòu)件的功能必要性，然后看看能不能找到優(yōu)化設(shè)計方案。”

團隊從最基本的內(nèi)容開始：構(gòu)件節(jié)點功能到底是什么?是如何受力的?團隊能夠從很多部位去掉功能多余的材料。但是逐層黏合制造技術(shù)的關(guān)鍵是在空腔上方產(chǎn)生能夠受力的水平表面。這需要精心設(shè)計和精準的支撐位置布局。

“當然我們可以打印出任何形狀，但是可能出現(xiàn)打印出來的支撐結(jié)構(gòu)在打印完成后需要去掉的情況，”Galjaard說。團隊想竭力避免這種后處理的情況，盡量用一次成型的方法實現(xiàn)“夠聰明、夠順利、夠經(jīng)濟”的優(yōu)化方案。

Galjaard說，這個過程是在最大設(shè)計自由度和逐層黏合制造技術(shù)之間取舍平衡的結(jié)果。“對于我們工程師來說，如何解放思想，避免重蹈傳統(tǒng)機械加工工藝束縛的設(shè)計思路，是非常有意思的一次嘗試”

直到制造開始，整個團隊才終于意識到再也不用受傳統(tǒng)機加工工藝的約束，可以享受自由設(shè)計的巨大優(yōu)勢。“那么多年以來，我們一直被傳統(tǒng)機械加工工藝(切削銑磨)禁錮著”Galjaard解釋說“我認為3D打印給我們帶來了非常大的設(shè)計自由，能夠嘗試新一代制造技術(shù)帶來的最大效益。”

最終的構(gòu)件節(jié)點造型非常別致，具有掃帚一樣的結(jié)構(gòu)帶著樹枝狀支撐延伸到頂層的平臺結(jié)構(gòu)。但整個團隊并不考慮設(shè)計中的美學因素。

“我們沒有做任何美化，實際上這個造型要比原始節(jié)點構(gòu)件的功能性強得多。我們只在力學需要的位置放置了材料(也就是說，整個構(gòu)件沒有一絲多余的材料)”Galjaard說。盡管沒有考慮美學因素，她認為這項技術(shù)帶來的設(shè)計自由提高了結(jié)構(gòu)件的視覺觀感。

“這很可能導致力學結(jié)構(gòu)的可視化。從某種程度來說，我認為，這會對整個行業(yè)產(chǎn)生影響，也就是說，從設(shè)計方面以前我們根本沒有意識到的問題。很可能未來的力學結(jié)構(gòu)將會從外觀上由隱蔽結(jié)構(gòu)變?yōu)榭梢娊Y(jié)構(gòu)。”Galjaard說。

從現(xiàn)在看來，團隊對節(jié)點結(jié)構(gòu)件的重新設(shè)計更直接的結(jié)果是高度簡化。原型構(gòu)件被設(shè)計為不銹鋼成型，因為制造商庫存中只有這種鋼材，所以節(jié)點構(gòu)件生產(chǎn)出來之后實際結(jié)構(gòu)強度比計算出的必要值要大四倍。

盡管節(jié)點構(gòu)件的強度沒有進行直接測試，研究小組仍然通過3D打印出來的鋼條進行了測試，結(jié)果達到預期指標。“盡管剛剛開始，確實達到了非常不錯的結(jié)果，”Galjaard說。“但是在我們真正開始應用該項技術(shù)實現(xiàn)完整結(jié)構(gòu)的建筑之前，還有很多材料科學的研究工作要做，還有很多經(jīng)驗需要積累。”

目前，鋼材料逐層黏合生產(chǎn)技術(shù)仍然比傳統(tǒng)機械加工技術(shù)要昂貴得多。因此，Galjaard不認為該技術(shù)能夠在短期內(nèi)應用大量的梁柱簡單結(jié)構(gòu)上面。她認為更快的應用是在類似上文提到的這種需要小型復雜結(jié)構(gòu)件的應用上。

“在建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)，需要制造互相連接的部件。現(xiàn)在我們能夠結(jié)束現(xiàn)場大量不同形狀構(gòu)件的安裝連接工作，”Galjaard說。“該技術(shù)……提供了集成上述不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的選擇，使得一個構(gòu)件產(chǎn)品實現(xiàn)全部功能，一次成型，打印即可。”

這樣就能大大降低安裝成本，一方面結(jié)構(gòu)件的數(shù)量減少了，一方面安裝復雜度也降低了。更多好處是生產(chǎn)過程中材料大量節(jié)省，產(chǎn)生的部件更輕巧，運輸成本更低廉。在某些項目上，這些效益會帶來更多附加值，Galjaard說。

“從觀察構(gòu)件的全生命周期角度出發(fā)，盡管直接成本還是高居不下。但舉個例子來說，在結(jié)構(gòu)項目上，如果所有的節(jié)點都減輕了重量，那么整個結(jié)構(gòu)的重量也大大下降。這樣所有的部件都能變得很輕巧很便宜，因此整體成本會大幅降低，”她補充說。

“確實還有很多因素需要考慮進去。雖然現(xiàn)在還做不到全盤考慮，但是我們認為對于合適的項目而言，該技術(shù)的確有很高的經(jīng)濟性。”Galjaard這樣認為。

從現(xiàn)在開始，Arup團隊已經(jīng)在第二個小規(guī)模項目上重新設(shè)計節(jié)點構(gòu)件，用于測試逐層黏合制造技術(shù)的實用性。“每次都能給我們帶來驚喜。我們只要想到了，產(chǎn)品就能實現(xiàn)?？赡軇傞_始會說‘不可能’!但很快就會發(fā)現(xiàn)，為什么不那么做?這確實有點探險的意思，”Galjaard說。

“這非常鼓舞人心，但是也很有意思，特別是技術(shù)本身是如何影響我們的思維方式。來過這里的設(shè)計師和工程師都對此非常感興趣，”她補充道。

本文來源：http://www.iv82.cn/news/87d36999543.html

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