供稿人：曹汉杰、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-12-09
21世纪是建筑生产领域数字化转型的开始，在第四次工业革命的技术中，增材制造是最具前途的工具之一，从可持续发展的角度对建筑过程进行了革新。目前3D打印多用于建筑结构的外部形状制造，关于复杂内部几何形状的3D打印砖的设计与可打印性的科学研究完全缺失，3D打印砖在建筑生产方面的潜力仍然未知。
巴伦西亚政治大学霍尔米贡科学与技术研究所的瓦伦迪亚·桑乔吉奥与巴里理工大学的法比奥·帕里西等人首次探讨了实现新的3D打印粘土砖的可能性，将这些复杂内部几何形状粘土砖用于建筑施工，在保证优异机械性能与能量吸收能力的前提下减少耗材，达到可持续发展的效果。并提出了一种3D打印粘土砖的新颖概念设计与原型设计如图1（a）所示，包括三个主要步骤。
第一阶段，在尊重经典结构砖的外形尺寸和内壁厚度的基础上概念设计研究如何在通过3D打印实现的粘土砖设计中包含最小的表面，并通过算法辅助设计生成新粘土砖的参数模型。
第二阶段，开发一种参数化建模软件来实现粘土砖的3D打印模拟，以确定合适设计与粘土砖最佳最小表面配置和其他几何参数，并在Abaqus中生成适合验证可打印性的FEM仿真的输入文件。所选用几何形状具有高机械性能和良好的能量吸收能力。
第三阶段，选择最佳的可打印砖配置进行有效的原型设计，以实现3D打印粘土砖的原型并验证所执行的分析。作者在三种不同的内部几何结构中研究了六种不同的最小表面形状，进行了18组粘土砖的验证，确定出最合适、最有前途的几何形状为钻石型如图1（b）中第二列所示。
图1 3D打印粘土砖概念设计步骤与原型验证图