【成果展示】空间一笔画热塑材料晶格打印工艺与力学性能优化

文摘   教育   2024-09-12 12:52   广东  


导读


大尺度的空间晶格骨架结构由于其轻质高强、易于被设计成具有良好视觉效果的曲面形状的特性,被广泛运用于各类景观构筑物、辅助性建筑构件之中,展现出良好的美学效果。

图1-大尺度空间晶格结构艺术装置

图2-空间3D打印容易出现的晶格质量问题


目前,机械臂空间 3D 打印技术是大尺度晶格结构的主要建造方式,喷嘴一次移动就能在无支撑的情况下打印一根杆件,能高效、经济地完成大尺度晶格的建造。然而,目前机械臂空间 3D 打印方法发展尚不成熟,建造出来的晶格结构存在着杆件弯扭、质量不佳等问题,不仅影响美观,还降低了构筑物整体的承载能力。因此,需要开发一种新型的机械臂空间 3D 打印方法来改善大尺度晶格的打印质量,提高其受力性能,以便其能够在大尺度的构筑物上稳定发挥作用。基于此背景,课题组林杨胜等同学进行研究,并于近期将相关成果发表于建造类顶刊 Additive Manufacturing上,题为“An enhanced spatial extrusion method to manufacture large-scale thermoplastic lattice structures”。
详情请参考:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104393或点击文末阅读原文进行查看。
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论文通过打印实验,量化打印参数对空间打印质量的影响,筛选出合适的打印参数。提出特定的机械臂打印姿态控制策略,并选取简单的打印路径,解决了空间打印过程中挤出的无支撑杆件由于冷却不及时容易垮塌的问题,成功打印出杆件笔直、外观质量良好的热塑性空间晶格,这一套方法称为RAM方法。图3展示了晶格结构核心三角形构件的打印方法,这是晶格打印过程中最难的部分。图4展示了本文方法打印的晶格结构与传统方法打印的晶格结构相比在打印质量上的提升。

图3-晶格结构核心部分打印过程

图4-晶格结构打印质量对比

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图5-双臂协同打印法

随后,本文还进一步提出双机械臂协同建造的方法,解决了晶格节点粘结不牢固的问题,大大提高了晶格结构节点的强度。通过受压和受弯力学试验,验证了采用所提出的空间打印方法建造的大尺度晶格结构模块在力学性能上的提升。

图6-力学试验
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最后,为了验证所提出方法的几何多样性,通过该空间打印方法,建造打印了多种异形形状的晶格结构,验证了其实际建造性能。

图7-异形晶格结构




总结


我们设想,通过使用所提出的打印策略,可以制造特定形状的晶格结构,并与常见的工程材料集成,形成不规则形状的复合组件,这样的复合组件可以用于建筑立面的外部装饰,内墙的隔断,或作为更大结构的一部分。除了建筑行业之外,我们相信所提出的方法也可以用于其他领域,如航空航天和汽车工程等多功能应用的轻质晶格结构中。

END

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来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 查   倩

审核 | 胡   楠

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