李森萍，馮建行

(廣東碧桂園職業學院，廣東 清遠 511510)

隨著我國3D打印技術的發展，在各個領域得到了廣泛運用。但簡單的3D打印技術具有局域性，在很多方面受到了限制。特別是將3D打印技術運用在建筑構件打印時，受3D打印技術局域性影響，只能完成簡單構件的打印，對于一些復雜構件的打印確是有心無力。因此，對3D打印在建筑行業的創新是現在很有必要的一個研究課題。從施工工藝出發，希望通過優化混凝土3D打印施工工藝，對混凝土構件打印過程進行優化；從混凝土3D打印材料出發，從材料配合比、可打印性、可建造性、使用性能和工程應用5個方面探討了3D打印纖維混凝土存在的問題和發展趨勢；從結構出發，證實3D打印結構柱與普通鋼筋混凝土柱的破壞模式類似,但承載力降低10%～20%，跨中最大撓度隨著偏心距的增大其增幅略微增大。基于此，本文嘗試通過數據建模與3D打印技術集合，設計并制造了轉臂式混凝土3D打印機，對復雜混凝土構件進行分割，然后分步進行打印，完成復雜混凝土構件的3D打印。

1 混凝土構件建模打印基本工作流程

混凝土構建建模主要包括建模、參數優化、切片處理和路徑規劃以及打印成型。建模是根據不同模型特點，選擇適合的三維建模工具，根據打印構件要求建立精準三維模型。模型的參數優化主要是對打印機工藝參數進行優化。主要從設備和材料方面探究工藝參數對模型產生的影響，通過打印機特點優化三維模型；對打印參數進行設置，可實現打印成型目標，對構件質量進行提高。切片處理和路徑規劃是對優化后的三維模型進行轉化、切片。然后規劃層片信息的打印路徑，生成G代碼。打印成型是把切片后G代碼導入打印機的控制器，調整打印機位置，待供應打印材料后，啟動打印機。

具體工作流程如圖1所示。

圖1 混凝土構件建模打印工作流程圖

2 三維模型建立

2.1 三維模型軟件選擇

本文選擇AutoCAD軟件為三維建模軟件。該軟件能夠將三維實體模型導出STL文件格式，對數據轉換過程起簡化作用；具體如圖2所示。

圖2 AutoCAD軟件導出STL文件格式方法

2.2 三維模型建立

本文以某小禮堂作為原型建立三維模型。該模型墻體為圓弧形，屋頂為蒼穹狀。通過 Sketchup軟件繪制出草圖后，用AutoCAD軟件同比縮小其比例，建立精確的縮尺三維模型；具體模型如圖3所示。

圖3 小禮堂CAD圖

3 參數優化

3.1 新型轉臂式3D打印機設計

新型轉臂式3D打印機主要包括控制系統、運動機構和送料系統3個部分。運動機構由一根豎直立柱和一根懸臂、三臺電機構成。電機對豎直立柱起牽引作用，使之進行轉動；豎直絲桿牽引懸臂梁沿豎直立柱上下轉動；抖斗安裝在懸梁臂上，在梁上軌道進行移動。送料主要有混凝土輸送泵、輸送管、帶噴頭料斗、電機。在料斗上方安裝電機，對噴頭出料速度進行控制；螺栓連接打印噴頭和料斗，根據需求更換不同內徑的噴頭。控制系統主要包括DH3型伺服驅動器中智能功率模塊，以及2500線增量編碼器。具體打印原理示意圖，如圖4所示。

圖4 轉臂式打印機原理圖

3.2 復雜構件優化設計

受目前3D打印技術限制，無法完成結構復雜尺寸較大的物件，因此需要對構件模型進行分割。按照特定算法分割復雜構件模型，使之成為若干個形狀簡單，尺寸小的塊狀，通過打印機打印后，在根據規律將其進行組裝。本文選擇基于蜂窩單元的內部結構優化算法優化模型分割。應力分布由有限元分析得到，密度函數定義和內部單元劃分通過應力分布結果定義，目標是強度質量比最大值，得到最大空化參數。該分割方法具有耗材少、強度高的特點；具體結構支撐如圖5所示。

圖5 內部蜂窩狀結構支撐

3.3 打印路徑優化

本文主要選擇蟻群算法對3D打印機打印路徑進行優化。

蟻群算法基本原理

設蟻群算法螞蟻數,待訪問節點數為，節點間的距離為(，=1,2,…，)，在時刻節點與連接路徑上信息素濃度為，()。設初始節點間具備相同信息濃度，則，(0)=。

訪問城市由螞蟻(=1,2，…，)通過節點間連接路徑上信息濃度決定。時刻，螞蟻從節點轉移至節點概率表達式為：

(1)

式中，，()表示啟發函數；，()=1，，表示螞蟻節點轉移到節點的期望程度；(=1,2，…，)表示螞蟻下一個可能訪問的節點集合；ɑ表示信息素重要程度因子；表示啟發函數重要程度因子。

在螞蟻轉移時，螞蟻釋放信息素，節點間連接路徑上的信息素慢慢的消失。當全部螞蟻進行一次循環后，調整路徑上各信息素濃度，則+時刻節點與節點連接路徑上信息素量可調整為：

，(+)=(1-)，()+，(,+)

(2)

(3)

本文選擇Ant-Cycle 模型求解螞蟻釋放信息素，其表達式為：

(4)

式中：為信息素強度；為螞蟻在該循環中路徑總長度。

路徑規劃算法實現步驟

(1)參數初始化。初始化相關參數，量節點間距離通過節點坐標位置計算，得到對稱距離矩陣；因為啟發函數，()=1，，為避免分母為0，在對角線上的0賦予較小正數；

(2)解空間構建。在不同節點投放不同螞蟻，螞蟻(=1,2，…，)通過轉移概率公式確定下一個帶訪問節點，待所有螞蟻訪問完所有節點后，完成一組路徑構造；

(3)信息素更新，最優解記錄。計算一個螞蟻所走路徑總長(=1，2，…，)，通過對每個城市路徑信息素濃度進行調整更新，得到最短路徑；

(4)判斷終止情況。當迭代次數最大，則終止計算，輸出最優解。若達不到最優解則需要返回第2步。

3.4 模型數據切片處理

適應性分層切片算法

適應性分層切片算法對臺階效應有減小作用，對加工時間不會增加，但無法去除臺階效應的影響。STL模型的幾何特征決定適應性切片厚度，打印試件存在明顯輪廓變化時，所需厚度小；反之，則所需厚度大。適應性層厚切片的評價指標為切片形成的相鄰兩層面的面積變化比，當相鄰兩層開面的面積變化比大于預設值，則需適當按照比例切片厚度，重新切片，切片厚度最小即可；具體流程如圖6所示。

圖6 適應性分層切片算法流程

設第層層面截面面積為，上一層面積為-1；面積變化比的預設值為，則需要滿足式(5)，切片結束。若不滿足式(5)，則需要減小切片厚度重新進行切片。

(5)

層片數據處理——路徑規劃

模型打印質量、強度、剛度和成型效率直接受打印路徑的影響，因此需要對打印路徑進行規劃。一般來說，打印路徑規劃主要是對外部輪廓和內部填充路徑進行規劃。規劃打印路徑，能避免打印路徑的交叉和重疊現象，還能夠減少打印路徑過程的拐角數量，這樣就避免了在打印時方向和速度突變情況。

切片處理軟件介紹

本文選擇的切片處理軟件為Cura。該切片軟件具有切片速度快、切片穩定、包容性強和設置參數少等優點。該軟件主要包括模型處理、G代碼生成以及切片。默認層厚為0.1 mm，層數為模型高度/層厚。載入模型后，軟件開始切片和計算打印需要的時間、耗材質量和耗材的長度，在軟件視圖區右上角位置進行顯示。切片輪廓和路徑使用不同顏色進行標識。改變模型模式時，Cura軟件重新進行切片。

4 應用實例

某圓形管狀結構內徑50 cm，外徑80 cm，壁厚15 cm，高15 cm。因其特殊結構，不能用澆筑成型，故使用混凝土3D打印技術建造。具體步驟為：

(1)對模型進行分層切片處理，分為層厚為15 mm的10層。對分層后模型內進行層片信息處理；

(2)平面模型線條為3 cm，可滿足轉臂式3D打印機工作需求，可采用單線條打印。提前描述平面模型，求出格柵小方格中心點坐標，一共276節點，以此來規劃打印路徑；

(3)采用基于蟻群算法的完全遍歷路徑規劃算法提前規劃其最短路徑。經過計算可知，該模型最短路徑為7 699.135 6 mm，經過320次迭代后，得到最優解；

(4)按照算法路徑對規劃路徑進行調整，調整后路徑為最優路徑，噴頭不出現空轉跳躍情況。但拐角多，頻繁轉彎導致打印機穩定性減小；

(5)將最佳打印路徑生成G代碼，導入3D打印機后開始進行打印。為保證成型質量，再次對最佳路徑進行調整，先打印出內外2個圓弧，然后打印內部支撐結構。經過調整后，噴頭路徑總長度為7 790 mm且存在一次跳躍。打印后成品如圖7所示。打印構件整體未見明顯缺陷，證實該3D打印機可行。

圖7 打印成型效果

5 結語

本文通過建模、參數優化、切片處理和路徑規劃以及打印成型等方面對復雜造型混凝土構件打印成型進一步優化，具體結論為：

(1)選擇AutoCAD軟件為三維建模軟件，在格柵地圖描述平面模型。通過節點的計算規劃其最優路徑；

(2)設計并制造了轉臂式混凝土3D打印機，設置模型時，提前用Cura軟件對其路徑進行切片規劃，然后采用基于蟻群算法的完全遍歷路徑規劃算法規劃其最短路徑；

(3)將最短路徑進行轉化，生成G代碼，導入3D打印機后開始進行打印。打印構件整體未見明顯缺陷，證實該3D打印技術可行。