CN112942837B - 一种悬挑结构混凝土3d打印方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬挑结构混凝土3D打印方法及系统，将拓扑优化技术与混凝土3D打印技术相结合，可将原本无法直接用3D打印混凝土技术制造出来的悬挑结构通过分区域运用相适配打印工艺的方式制造出来，解决了拓扑优化3D打印混凝土悬挑结构难以制造的问题。

Description

一种悬挑结构混凝土3D打印方法及系统

技术领域

本发明涉及混凝土3D打印技术领域，特别是涉及一种悬挑结构混凝土3D打印方法及系统。

背景技术

拓扑优化技术是一种在给定设计空间、约束条件和目标函数的情况下，通过算法对整体材料进行寻优分布的设计技术。拓扑优化技术具有极高的设计自由度，可实现结构的轻量化设计。然而优化结果大多外形新颖独特，往往具有带肋和悬挑部位的结构特征，传统的模板建造技术难以实现这些特殊结构特征的建造。

混凝土3D打印是一种具有高度灵活化的无模建造技术。其操控方式自动轻便，易实现复杂结构的快速制备，可解决传统建造技术带来的建模拆模问题。但因3D打印混凝土材料在建造时需要一定的流动性来满足可挤出性工艺要求，其在建造时仍受到一定的制造约束的限制。常见的3D打印混凝土制造方法往往只可制造无悬挑部位或极少的悬挑部位的结构模型，难以实现有明显悬挑部位结构的制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种悬挑结构混凝土3D打印方法及系统，能够解决现有技术中拓扑优化悬挑结构制造困难的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种悬挑结构混凝土3D打印方法，所述方法包括：

建立待打印模型，并对所述待打印模型进行迭代优化，得到待打印结构；

对所述待打印结构和打印参数进行分析，得到所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系，并确定与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数；所述打印参数包括打印速度、打印条宽和悬挑角度；

选取所述与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数作为划分参数，根据所述划分参数将所述待打印结构划分为多个待打印区域；

根据所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系确定每个所述待打印区域的最优打印参数，按照所述最优打印参数对每个所述待打印区域进行打印，得到打印好的构件。

本发明还提供了一种悬挑结构混凝土3D打印系统，所述系统包括：

模型优化模块，用于建立待打印模型，并对所述待打印模型进行迭代优化，得到待打印结构；

参数分析模块，用于对所述待打印结构和打印参数进行分析，得到所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系，并确定与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数；所述打印参数包括打印速度、打印条宽和悬挑角度；

区域划分模块，用于选取所述与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数作为划分参数，根据所述划分参数将所述待打印结构划分为多个待打印区域；

打印模块，用于根据所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系确定每个所述待打印区域的最优打印参数，按照所述最优打印参数对每个所述待打印区域进行打印，得到打印好的构件。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种悬挑结构混凝土3D打印方法及系统，通过分区域运用相适配的打印工艺进行制造，实现了对悬挑结构的3D打印。同时利用拓扑优化技术对待打印的混凝土结构进行轻量化处理，使得3D打印混凝土结构既具有轻量化的设计，又具有十分灵活的制造工艺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种悬挑结构混凝土3D打印方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的双柱结构初始模型示意图；

图3为本发明实施例提供的待打印双柱结构示意图；

图4为本发明实施例提供的待打印双柱结构边界曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的双柱结构悬挑角度计算结果示意图；

图6为本发明实施例提供的双柱结构打印区域划分结果示意图。

图7为本发明实施例提供的一种悬挑结构混凝土3D打印系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种悬挑结构混凝土3D打印方法及系统，以解决拓扑优化悬挑结构制造困难的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

一种悬挑结构混凝土3D打印方法，如图1所示，所述方法包括：

步骤101：建立待打印模型，并对所述待打印模型进行迭代优化，得到待打印结构；具体的，建立初始模型，并根据工程应用环境设置材料、载荷和约束条件，得到待打印模型，然后根据预先设定的优化目标、优化约束以及优化终止条件对所述待打印模型进行迭代优化，得到待打印结构。为了便于后续的分析与优化，还可以采用四边形网格对所述待打印模型进行网格划分。

步骤102：对所述待打印结构和打印参数进行分析，得到所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系，并确定与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数；所述打印参数包括打印速度、打印条宽和悬挑角度；为了保证分析得到的结果更加精确，在开始分析之前，还可以先采用简单比较法分析不同配比的材料对打印结果的影响，确定打印材料，根据固定的打印材料参数对打印参数进行分析，采用二阶响应面的Box-Behnken设计对打印速度、打印条宽和悬挑角度进行实验分析，得到所述打印速度、打印条宽和悬挑角度分别与所述待打印结构的打印高度的匹配关系。

步骤103：选取所述与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数作为划分参数，根据所述划分参数将所述待打印结构划分为多个待打印区域；具体的，提取所述待打印结构的边界特征，得到所述待打印结构的轮廓线；然后轮流搜索所述轮廓线上的点，确定所述轮廓线各点的划分参数；最后根据所述轮廓线各点的划分参数将所述待打印结构划分为多个待打印区域。

在提取边界特征时，可以将所述待打印结构的图像进行二值化处理，得到二值化待打印图像；然后以每相邻两个像素点为单位对所述二值化待打印图像进行搜索，当相邻两个像素点的值不同时，记录所述像素点的位置信息；最后提取所有所述像素点的位置信息组成所述待打印结构的轮廓线。

接着确定轮廓线上各点的划分参数，以所述轮廓线上某一点为中心点建立坐标轴，将该点周围3个像素点范围内的所有像素点作为搜索面，并以所述搜索面内每个像素点到中心点的距离为坐标值确定每个所述像素点的点位坐标；然后根据所述点位坐标利用多项式拟合得到边界曲线，根据边界曲线确定所述中心点的划分参数。

步骤104：根据所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系确定每个所述待打印区域的最优打印参数，按照所述最优打印参数对每个所述待打印区域进行打印，得到打印好的构件。

在得到打印好的构件后，还可以对打印好的构件进行覆膜养护直至使用龄期，以延长构件的使用寿命，保证构件在使用期间内能够具备良好的性能。

下面以拓扑优化打印双柱结构为例对本实施例提供的方法进行详细介绍：

首先，依据实际工程问题，建立初始模型，为保证优化模型具有更好的普适性，设置初始模型为矩形，如图2所示。根据实际材料情况和工程受力条件设置模型大小，材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度等，并设置荷载和约束条件。在本实施例中，模型采用上部均布荷载，下部固定支座的形式，如图3所示。采用四边形网格对该结构进行网格划分，以便于后续分析与优化。

然后设置优化进程，在本实施例中，以采用最大刚度为优化目标，设定体积为优化约束，并设定优化后的体积为原体积的50％为优化终止条件为例进行说明，但并不应当理解为对本发明的进一步限定，只要能够对模型进行优化使得到的待打印结构符合实际需要的优化条件都将落入本发明的保护范围内。

根据设定好的优化目标、优化约束以及优化终止条件进行迭代，迭代的次数与所选用的拓扑优化算法有关，本实施例具体选用变密度法，同理，该算法并不应理解为对计算算法的具体限制。

由此，本实施例先对结构进行有限元分析，从而得到整个初始模型的内力分布情况。再根据预设的工程目标逐步去除无效或者低效部位材料，从而保证得到的结构是优良的结构。拓扑优化算法运行会使结构体积减小，优化目标作用是保证体积减小过程中设计区域内材料分布合理，迭代的优化终止条件是模型经过迭代，体积减小，当优化的结果收敛到了所设定的优化终止条件，优化进程将会停止。本实施例得到的优化好的待打印的双柱结构如图3所示。

得到待打印结构后，首先需要测定3D打印混凝土实际自支撑能力，确定悬挑特征与打印条件之间的适配关系。本实施例从材料和工艺两个角度考虑。对于材料，采用不同掺量的双快水泥，对于打印参数，采用打印速度、喷头直径、悬挑角度三个因素研究其对模型可打印有效层数的影响。为了使对打印参数的分析更加精确，本实施例先采用简单比较法分析了不同的双快硫铝酸盐水泥掺量作用下对打印结果的影响，确定了用于后续实验的材料配比，在测试材料性能时，为了保证材料性能判断准确，需要控制变量，所以混凝土3D打印打印机采用的挤出速率不变。后用响应面法研究了多个因素对打印结果的影响，具体采用二阶响应曲面的Box-Behnken设计进行实验方案设计，得到打印速度、喷头直径、悬挑角度三个方面因素其对模型可打印有效层数的影响，并确定最佳的材料-工艺-结构匹配关系，为后续拓扑优化异形柱的实际打印提供打印信息指导。二阶响应曲面的Box-Behnken设计是一种利用合理的试验设计方法解决多变量问题的一种统计工具，能够得到与实际情况相接近的材料-工艺-结构匹配关系。

在本实施例中，基于上述对打印参数的分析可知，悬挑角度对于可打印高度的影响远远重要于其他因素，因此，选择悬挑角度为划分参数，对待打印双柱结构进行划分。

在划分时，先对得到的结果进行边界识别，具体方法为将得到的待打印结构图像二值化处理，每个单元代表图像中一个像素，二值化后每个像素点只有0或1两个值，0代表单元内无材料，1代表单元内有材料。随后对每个相邻的像素点进行搜索，当相邻的两个像素点不同时，记录像素点的位置信息，建立新的图像在记录的点位上赋值1，得到优化模型的轮廓线，如图4所示。

接着轮流搜索轮廓线上的点，以该点为中心建立坐标轴，搜索该点四周3个像素范围内的像素点形成一个搜索面，并以每个点到中心点的距离为坐标值，根据点位坐标运用多项式拟合边界曲线L(x)，则中心点的切向量m和法向量n的斜率由L’(0)和-1/L’(0)求得。悬挑角度定义为模型边界内法线方向与建造方向之间的夹角，对于3D打印的分层堆积，建造方向只能向上所以悬挑角度为α＝|arctan(L'(x))|，将所得的α值记录，最终得到模型边界上每一点的悬挑角度，计算结果如图5所示。

根据悬挑角度的计算结果对待打印双柱结构进行区域划分，如图6所示，共分为三个区域。其中，不可打印区的悬挑角度小于55°，故采用非悬挑的打印方式，打印速度选择30mm/s，打印条宽选择20mm。可打印区悬挑角度在55°～70°之间，根据材料-工艺-结构三者之间的匹配关系，打印速度选择20mm/s，打印条宽选择20mm。最适宜打印区悬挑角度在80°～90°之间，根据材料-工艺-结构三者之间的匹配关系，打印速度选择30mm/s，打印条宽选择20mm。其中，悬挑角度的划分是根据步骤101和步骤102中的实验结果及模型的破坏形态进行界定的，不同的材料将会界定不同的悬挑角度，对应适用于该种材料的打印工艺，因此，本实施例仅是以上述划分界定为例对所提供的方法进行具体说明，在实际应用过程中具体划分界限应当根据实际需要进行确定，任何能够将待打印结构进行区域划分的界限都将落入本发明的保护范围内。而打印速度、打印条宽、悬挑角度对于可打印高度影响的关系式及响应面图，根据具体区域的可打印的高度可在图中直接选取三个参数的具体数值进行打印工作，打印速度和打印条宽的选择均来自于响应面法分析结果。而后根据最优打印参数对各区域的模型进行路径规划和实际打印。

最后对打印好的构件进行覆膜养护直至设计龄期，以延长构件的使用寿命。

经过本实施例提出的一种悬挑结构混凝土3D打印方法，可将原本无法直接用3D打印混凝土技术制造出来的悬挑结构通过分区域运用相适配打印工艺的方式制造出来，使3D打印混凝土结构既具有轻量化的设计，又具有灵活化的制造工艺，不失为一种有效的拓扑优化结构建造方法。此外，利用本实施例提供的方法，还能够检测拓扑优化模型悬挑角度，为结构建造分析提供数据理论支撑。

实施例2

本实施例用于提供一种悬挑结构混凝土3D打印系统，如图7所示，所述系统包括：

模型优化模块M1，用于建立待打印模型，并对所述待打印模型进行迭代优化，得到待打印结构；

参数分析模块M2，用于对所述待打印结构和打印参数进行分析，得到所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系，并确定与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数；所述打印参数包括打印速度、打印条宽和悬挑角度；

区域划分模块M3，用于选取所述与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数作为划分参数，根据所述划分参数将所述待打印结构划分为多个待打印区域；

打印模块M4，用于根据所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系确定每个所述待打印区域的最优打印参数，按照所述最优打印参数对每个所述待打印区域进行打印，得到打印好的构件。

本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种悬挑结构混凝土3D打印方法，其特征在于，所述方法包括：

建立待打印模型，并对所述待打印模型进行迭代优化，得到待打印结构；

对所述待打印结构和打印参数进行分析，得到所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系，并确定与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数；所述打印参数包括打印速度、打印条宽和悬挑角度；

选取所述与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数作为划分参数，根据所述划分参数将所述待打印结构划分为多个待打印区域；

根据所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系确定每个所述待打印区域的最优打印参数，按照所述最优打印参数对每个所述待打印区域进行打印，得到打印好的构件；

所述建立待打印模型，并对所述待打印模型进行迭代优化，得到待打印结构具体包括：

建立初始模型，并根据工程应用环境设置材料、载荷和约束条件，得到待打印模型；

根据预先设定的优化目标、优化约束以及优化终止条件对所述待打印模型进行迭代优化，得到待打印结构；

所述对所述待打印结构和打印参数进行分析，得到所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系，并确定与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数，具体包括：

采用二阶响应面的Box-Behnken设计对打印速度、打印条宽和悬挑角度进行实验分析，得到所述打印速度、所述打印条宽和所述悬挑角度分别与所述待打印结构的打印高度的匹配关系；

对比所述打印速度、所述打印条宽和所述悬挑角度分别与所述待打印结构的打印高度的相关度，确定与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数；

根据所述划分参数将所述待打印结构划分为多个待打印区域具体包括：

提取所述待打印结构的边界特征，得到所述待打印结构的轮廓线；

轮流搜索所述轮廓线上的点，确定所述轮廓线各点的划分参数；

根据所述轮廓线各点的划分参数将所述待打印结构划分为多个待打印区域；

所述提取所述待打印结构的边界特征，得到所述待打印结构的轮廓线具体包括：

将所述待打印结构的图像进行二值化处理，得到二值化待打印图像；

以每相邻两个像素点为单位对所述二值化待打印图像进行搜索，当相邻两个像素点的值不同时，记录所述像素点的位置信息；

提取所有所述像素点的位置信息组成所述待打印结构的轮廓线；

轮流搜索所述轮廓线上的点，确定所述轮廓线各点的划分参数具体包括：

以所述轮廓线上某一点为中心点建立坐标轴，将所述中心点周围3个像素点范围内的所有像素点作为搜索面，并以所述搜索面内每个像素点到所述中心点的距离为坐标值确定每个所述像素点的点位坐标；

根据所述点位坐标利用多项式拟合得到边界曲线；

根据所述边界曲线确定所述中心点的划分参数。

2.根据权利要求1所述的一种悬挑结构混凝土3D打印方法，其特征在于，在得到所述待打印模型后，还包括采用四边形网格对所述待打印模型进行网格划分。

3.根据权利要求1所述的一种悬挑结构混凝土3D打印方法，其特征在于，在对所述待打印结构和打印参数进行分析之前，还包括：

采用简单比较法分析不同配比的材料对打印结果的影响，确定打印材料。

4.根据权利要求1所述的一种悬挑结构混凝土3D打印方法，其特征在于，在得到打印好的构件后，还包括对所述打印好的构件进行覆膜养护。

5.一种用于实现如权利要求1-4任一项所述的一种悬挑结构混凝土3D打印方法的悬挑结构混凝土3D打印系统，其特征在于，所述系统包括：

模型优化模块，用于建立待打印模型，并对所述待打印模型进行迭代优化，得到待打印结构；

参数分析模块，用于对所述待打印结构和打印参数进行分析，得到所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系，并确定与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数；所述打印参数包括打印速度、打印条宽和悬挑角度；

区域划分模块，用于选取所述与所述待打印结构的打印高度相关度最高的打印参数作为划分参数，根据所述划分参数将所述待打印结构划分为多个待打印区域；

打印模块，用于根据所述待打印结构的打印高度与所述打印参数的匹配关系确定每个所述待打印区域的最优打印参数，按照所述最优打印参数对每个所述待打印区域进行打印，得到打印好的构件。

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