3D打印蜂窩結構在臨時性建筑中的力學性能分析

趙峻宏,朱世范

(哈爾濱工程大學 機電工程學院,哈爾濱 150001)

近幾年，隨著世界上自然災害頻發(fā)，而災后解決難民應急居住的臨時性建筑需求日益增大.3D打印技術應用領域廣泛，近年來該技術在建筑領域的使用逐漸頻繁.蜂窩夾層板是建筑領域中常見的材料.目前，蜂窩夾層結構復合材料運用在臨時性建筑中具有許多優(yōu)點：1)具有很強的可彎曲剛性，自身強度高和優(yōu)良的抗沖擊性能.2)因為是粘接結構，所以表面可以做的很光滑平整，從而減振特性良好.3)又因是兩重結構，所以氣密性和隔熱性能也非常優(yōu)異[1].

傳統(tǒng)臨時性建筑在災后施工時面臨諸多問題，如何優(yōu)化傳統(tǒng)臨時性建筑的生產(chǎn)方式，使臨時性建筑結構性能更加優(yōu)秀，在性能提高的同時改進組裝困難、不可循環(huán)使用、節(jié)省人工與材料浪費等問題[2].李振華等[3]研究并運用了不同尺寸的紙筒，以紙筒作為材料使不同尺寸紙筒從新排列組合，制作出臨時性建筑，結果表明使用紙筒作為臨時性建筑建材不僅可回收利用和避免過度浪費材料，并且方便拆卸從新組裝.運用3D打印材料制作的復合夾層結構，可以更好的提高遇到災難后臨時性建筑的制作效率與抗震等性能.最近幾年，3D打印這一技術在建筑行業(yè)中屢見不鮮.2010年，一款名為“D-Shape”的打印機問世，這是由意大利人恩里克·蒂設計的3D打印機只要預先設定好結構圖形，就能通過這款打印機一層一層噴上材料，打印出一個“完整”的建筑物體[4-6].

本文運用區(qū)別于傳統(tǒng)人力施工的3D打印技術，使用PLA制備出在建筑中常見的蜂窩，通過密度公式設計出蜂窩夾層板芯子為六邊形蜂窩結構、內凹六邊形蜂窩結構、三角形蜂窩結構、手型蜂窩結構、星形蜂窩結構，從而得到力學性能更好，更加輕便的蜂窩夾層板.并且研究這5種蜂窩夾層結構中芯子的力學性能，通過進行拉伸實驗、三點彎曲實驗、壓縮實驗對5種芯子結構進行力學性能對比.根據(jù)實驗得出的位移曲線圖，分析這5種蜂窩芯子那種運用在臨時性建筑中的力學性能更為出色.

1 實 驗

1.1 蜂窩芯子的設計

使用3D打印機制作出5種蜂窩結構芯子，并對蜂窩結構的力學性能進行測試.設計蜂窩時，首先考慮使用這幾種蜂窩結構常見的均勻分布方式，并且依靠蜂窩結構的密度公式進行設計制作.蜂窩結構的性能取決于相對密度，通過使用PLA材料制備的蜂窩結構比傳統(tǒng)蜂窩結構使用的金屬材料更加輕便，其中相對密度比是指PLA材料與蜂窩結構的體積密度之比.

星形蜂窩結構作為一種新型負泊松比蜂窩結構，在近些年間引起了國內外學者的關注與研究[7-9].Theocaris 等[7]研究了均勻分布下的星形蜂窩結構復合材料其特性與該結構的影響因素；文獻[9]給出了星形蜂窩結構平臺應力的計算公式，并實驗研究了星形蜂窩結構的變形模式、動態(tài)沖擊強度.文獻[9]提供的星形蜂窩相對密度公式，即

式中：Ls為星形結構胞壁的長度；L為連接兩個胞壁的胞壁長度的1/2;t為星形蜂窩結構胞壁的厚度;β為星形間夾角.

六韌帶手型蜂窩結構因其在壓縮實驗中承受載荷時產(chǎn)生的獨特變形引起了學者們的廣泛關注[10].文獻[11]研究了3、4和6韌帶這幾種較為常見的手型結構的彈性模量，并且進一步探討了手型蜂窩結構的變形機制.文獻[10]研究了六韌帶手型蜂窩結構材料的面內力學性能，并進行了理論分析與實驗研究.張新春等[12]研究了六韌帶手型蜂窩結構的內面沖擊力學特性，并提供了六韌帶手型蜂窩相對密度公式，即

式中：ρ*為該蜂窩結構材料的密度；ρs為該基體材料的密度.α、β為量綱一的參數(shù)α=l/r，β=t/r.

正六邊形蜂窩結構作為常見的蜂窩結構其在力學性能測試與理論研究上，國內外學者已經(jīng)做過很多研究.富明慧等[13]研究了六邊形蜂窩結構的常見形變規(guī)律，對Gibson公式進行了改進并得出了正六邊形蜂窩芯子的彈性參數(shù)公式.文獻[14]研究了類蜂窩與正六邊形蜂窩結構等效力學參數(shù)對比與分析的方法，并提供了正六邊形蜂窩相對密度公式，即

式中：t為蜂窩結構胞壁厚度；l為胞壁的長度；θ為六邊形內夾角.內凹角蜂窩結構作為常見的負泊松比蜂窩結構，因其具有在能量吸收與抗壓性能的增強，在結構抗沖擊性設計上被廣泛應用.Gibson等[15]就已經(jīng)提出了內凹六邊形蜂窩結構，并通過研究得出該結構的力學能效法.其中傳統(tǒng)正泊松比蜂窩結構的內凹角為θ>180°，當凹角為θ<180°時該蜂窩結構為內凹六邊形蜂窩結構.尹藝峰等[16]研究了內凹六邊形蜂窩結構在低速載荷下的吸能特性與應力應變關系，并給出內凹六邊形向對密度公式，即

式中：ρm為內凹形蜂窩結構的材料密度；VA為內凹形蜂窩結構的實際體積；c為內凹形蜂窩結構的厚度；V=m×n×c為內凹形蜂窩結構的所用的體積.

三角形蜂窩結構作為一種新型蜂窩近幾年已經(jīng)有學者展開實驗研究.文獻[17]利用有限元研究了三角形蜂窩結構共面沖擊與能量吸能的影響.文獻[18]設計了一種旋轉三角形蜂窩結構，并通過有限元模擬了其形變過程中沖擊速度與旋轉角對其的影響.通過比較得出了在相對密度相同的情況下，該蜂窩結構的能量吸收能力比正六邊形蜂窩結構更出色.孫德強等[19]研究了沖擊速度對三角形蜂窩結構共面沖擊力學性能的影響，并提供了三角形蜂窩結構的相對密度公式，即

式中：t為蜂窩結構胞壁厚度；l為胞壁的長度；θ為斜邊與底邊的夾角；ρ*為三角形蜂窩的密度；ρs為該結構材料的密度.

本文在上述研究的基礎上制作了手型結構、六邊形結構、內凹六邊形、星形、三角形蜂窩結構，利用3D打印技術制備出實驗所需的試件，并對這5種蜂窩結構進行力學性能實驗.通過實驗所得數(shù)據(jù)進行對比，探討了蜂窩結構運用在救災時臨時性建筑的可能性.為更好的優(yōu)化傳統(tǒng)臨時性建筑的結構與材料性能做出貢獻.

1.2 實驗材料與對比

本次實驗選取聚乳酸(PLA)材料，PLA是一種合成高分子材料，因其具有良好力學性能，該材料在3D打印實驗制作試件中較為常見.PLA材料在諸多領域都有廣泛的應用，國內外學者對PLA材料的改性以及針對該材料在不同領域的應用進行了大量的研究與改進.本次實驗使用常見的PLA材料進行試件制備，因國內外學者對PLA材料進行了大量研究，實際施工中通過對材料的改性可以得到力學性能更好的材料.目前，屬于物理改進PLA材料的方法為：共混改性與復合改性，這兩種改性的方法相對其他化學方法改性而言相對簡單.文獻[20]通過共混改性的方法對聚乳酸進行共混，并研究了打印工藝對PLA材料共混改性后制備的試件力學性能的影響. 結果表明：打印材料溫度220 ℃、3D打印精度在0.1 mm、填充密度為100%時，該試件材料的力學性能最佳.文獻[21]通過使用3D打印制備PLA材料，對其打印速度、溫度、填充密度、厚度等因素的調節(jié).研究了3D打印工藝對PLA打印后制作出的試件的力學性能影響. 結果表明：打印速度增加會導致拉伸與沖擊強度的降低；打印溫度的升高會使拉伸強度上升的同時導致沖擊強度降低；打印密度的上升也會使PLA材料制備出的試件拉伸強度與沖擊強度得到一定增強.

使用3D打印方式制作的PLA材料產(chǎn)品，其輕便性、可設計性強和自身材料優(yōu)異的力學性能等優(yōu)勢，有效地解決了使用傳統(tǒng)金屬材料體量過重、制作需提前制作模具可設計性不強等不足.在本次實驗中使用的PLA材料具體參數(shù)見表1.

表1 使用PLA材料具體參數(shù)

1.3 蜂窩結構制備

首先利用3DMAX軟件對所需制備的5種蜂窩結構進行3D建模，根據(jù)不同實驗所需試件尺寸見表2，將制作完的3D模型以STL文件格式導入3D打印機自帶的切片軟件，模型的角度控制、弦長等參數(shù)均按默認設定；打印時噴頭以均勻速度按數(shù)控指令運動，將材料以試件邊界輪廓有序的堆積成一個平面層片，之后工作臺下降一層高度按邊界輪廓內一層一層堆積疊加，直至完成整個實體試件.

表2 試件尺寸基本信息

3D打印機采用Anycubic MEGA-S單噴頭3D打印機，打印機噴頭溫度為：220 ℃，打印機噴頭直徑為0.4 mm，打印速度60 mm/s.

分別根據(jù)拉伸、三點彎曲、壓縮實驗的試件尺寸制備出蜂窩結構為：六邊形蜂窩結構、內凹六邊形蜂窩結構、三角形蜂窩結構和手性形蜂窩結構，以及星形蜂窩結構. 所有試件均采用均勻拓補的方式制備(蜂窩結構形狀圖為圖1(a)～(e)).

圖1 蜂窩結構示意

為了確保制備的實驗試件在拉伸實驗、三點彎曲實驗、壓縮實驗中的準確性，減少誤差，對每一種蜂窩結構在不同實驗中制備出3個試件，實驗后選相同試件的平均值，進行力學性能對比、并且分析載荷位移曲線圖.在該實驗中，使用Zwick/Z010型拉力機進行蜂窩夾層結構的力學性能測試.

2 研 究

2.1 流程方案

本次實驗目的主要為測試手型結構、六邊形結構、內凹六邊形、星形、三角形蜂窩的力學性能.利用Zwick/Z010型萬能拉力機對5種蜂窩進行拉伸實驗、三點彎曲實驗、壓縮實驗均滿足GB/T1456-2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》規(guī)定，其中壓頭加載速度為:2 mm/min.實驗過程如圖2所示.

實驗以拉伸、三點彎曲、壓縮為實驗順序，首先按實驗順序將試件進行排序，其次使用萬能拉力機專用夾具固定實驗試件，其中：拉伸實驗采用拉力專用夾具，試件豎直擺放夾住上、下兩端后固定試件進行實驗；三點彎曲實驗利用彎曲夾具，試件與工作臺平行擺放，夾具固定試件兩端進行實驗；壓縮實驗利用專用壓縮夾具，夾具固定試件上、下兩端進行實驗.試件安裝后使用萬能拉力機均勻速度對試件施加載荷，并由位移傳感器測量位移，計算實驗中試件的面內縱向拉伸、壓縮和彎曲模量.載荷與位移數(shù)據(jù)利用max test軟件進行采集，最后記錄不同實驗每組試件數(shù)據(jù)的平均值.

圖2 實驗過程示意

2.2 結果分析

把測得實驗數(shù)據(jù)導入Excel中，選取相同試件平均值結果導入origin對數(shù)據(jù)進行圖像整理分析，5種蜂窩結構芯子的載荷位移曲線如圖3～5所示.

拉伸實驗如圖3所示，初始階段蜂窩芯子的拉伸曲線呈線性增加，載荷逐漸隨位移逐漸上升.隨著載荷逐漸上升手性蜂窩結構可承受載荷應力最大，在上升到峰值時出現(xiàn)剪切性斷裂；六邊形蜂窩所承受載荷應力在接近1 000 N時，隨載荷增加位移緩慢增加，在其內部形變的過程中剛度優(yōu)于手型蜂窩結構；星型、三角形與內凹六邊形蜂窩結構依靠內部結構，在承受低強度載荷時可以獲得更多的內面變形.

三點彎曲實驗如圖4所示，曲線呈現(xiàn)彈性上升趨勢，六邊形蜂窩結構在載荷達到峰值時試件發(fā)生第1次斷裂，曲線成直線下降，隨后因內面形變在達到500 N是出現(xiàn)緩慢下降直至試件失效；手型蜂窩開始曲線呈上升狀態(tài)在350 N時試件內部發(fā)生斷裂，曲線呈緩慢趨勢下降，在100 N時依靠內部形變繼續(xù)承受載荷直至失效；內凹六邊形蜂窩與星形蜂窩特性相近在承載低強度載荷時擁有更多韌性.

圖3 拉伸位移曲線

圖4 三點彎曲位移曲線

圖5 壓縮位移曲線

壓縮實驗如圖5所示，手型蜂窩隨載荷增加緩慢增加位移，再上升至1 700 N時事件發(fā)生第1次斷裂，曲線繼續(xù)呈緩慢上升趨勢，在經(jīng)歷反復內部形變與多次破壞后依舊可承載載荷值，當曲線達到峰值時發(fā)生剪切性斷裂，隨后試件失效；星形結構開始曲線呈上升趨勢，在到達1 000 N時曲線突然下降，試件開始第1次斷裂，而后曲線呈緩慢上升與緩慢下降的循環(huán)波動狀態(tài).三角形蜂窩在承受載荷到峰值時曲線呈平緩狀態(tài)位移，依靠內部形變獲得了更多的韌性；內凹六邊形蜂窩期初曲線成緩慢上升在承載600 N是曲線平穩(wěn)一段后發(fā)生破壞，隨后曲線呈折疊上升趨勢直至試件失效.

通過實驗表明，蜂窩結構承受載荷時起初主要呈線彈性變形.在單個節(jié)點發(fā)生破壞失效后，曲線突然下降，但是結構仍可以繼續(xù)承受載荷，所以曲線下降后可以繼續(xù)上升.曲線中每一個突然下降的拐點，都代表了一個節(jié)點發(fā)生了破壞失效.其中六邊形蜂窩芯子的彎曲剛度更好，整體力學特性較為穩(wěn)定，整體實驗效果韌性較為突出；負泊松比蜂窩中手型蜂窩可受載荷最多，其抗壓性能相比其他4種蜂窩更強；內凹六邊形蜂窩與三角形蜂窩性能相對接近，其中壓縮實驗中，在承受一定載荷的情況下，依靠內部結構持續(xù)增加位移；星形蜂窩綜合實驗結果來看效果最低.

根據(jù)以上分析手型蜂窩與六邊形蜂窩的抗彎剛度與硬度、韌性更好，可以獲得更多的內部變形，有較好的力學特性.可以滿足使用在臨時性建筑墻體中的變形與剛度需求.試件破壞圖為圖6所示.

圖6 實驗試件破壞圖

2.3 對比分析

近年來，臨時性建筑所用材料多為可循環(huán)回收的生態(tài)材料如：紙筒、竹子、木頭、農(nóng)作物纖維以及模塊化的臨時性帳篷.其中文獻[22]給出竹材本身拉伸強度與彎曲強度可達到150 MPa左右，抗壓強度60～70 MPa.普通竹材的力學性能優(yōu)于普通的木材的力學性能；文獻[23]在對四川成都華林小學這一坂茂的紙建筑案例分析中給出：以紙管為建材其拉伸強度為890 kN/cm2，普通木材的拉伸強度為1 170～1 470 kN/cm2，紙管材料的力學性能與木材的力學性能接近；文獻[24]給出PLA材料最大彎曲強度為114.7 MPa，壓縮強度為103 MPa.PLA材料的力學性能優(yōu)于普通竹板、紙筒、木材這幾種常見臨時性建筑材料.

通過本文實驗得出的結論可知，利用PLA材料制備出的六邊形蜂窩結構與手型蜂窩結構在實際應用到臨時性建筑中時，其材料與結構完全可以滿足實際應用需求，甚至其力學性能還優(yōu)于傳統(tǒng)材料與結構.

3 結 論

1)本文利用3D打印技術，使用PLA材料設計制備了5種蜂窩結構，并通過實驗分析了手型蜂窩結構、六邊形蜂窩結構、內凹六邊形蜂窩結構、星形蜂窩結構和三角形蜂窩結構的拉伸、三點彎曲、壓縮的力學性能.

2)手型蜂窩結構可承載力比其他4種蜂窩更為突出；六邊形蜂窩的綜合數(shù)值最好；其中星形蜂窩的力學性能較差.在實驗中相同密度與壁厚的負泊松比蜂窩整體力學特性較傳統(tǒng)六邊形蜂窩較為不足.手型蜂窩與六邊形蜂窩面內方向具有較好的可內部變形能力，外部承載力也具有良好變現(xiàn).

3)運用PLA材料制備的手型蜂窩與六邊形蜂窩結構，其材料與結構特性質量比傳統(tǒng)木材、竹子等材料更加輕便、節(jié)省人力，并且具有良好的力學特性，本文設計的蜂窩結構可以應用至災后臨時性建筑中，可以很大程度降低在遇到災害時的二次受災，增加人們的安全系數(shù).同時3D打印技術的應用可以制造出結構更為復雜、穩(wěn)定性強的結構.