【钢结构时代】荷兰工程师尝试钢材料3D打印技术

2014年6月24日，荷兰的一个工程师团队不得不面对新的挑战，他们正在为海牙的一个照明项目设计张拉整体结构，但是整个结构和电缆构成的错综复杂网络导致结构中处处存在着不规则链接和特殊结构角度。这意味着所有完成连接功能的节点结构件设计在造型上互相之间都是有差别的--也就是说，1200个连接件没有一个形状是重复的!

“您可以想象，这种情况下工作量可真是有点大”，Arup工程公司在阿姆斯特丹办公室的高级设计师(工程师)Salome Galjaard如是说。

该团队拼命工作，全力以赴把每个连接件的造型逐一落实，最终完成了对承包商的1200个构件造型设计的交付生产。但项目结束后，整个团队开始反思，在未来是否可以采用逐层黏合制造技术--也就是我们常说的3D打印，来完成上述情况的新解决方案?
“我们觉得以后这种情况很可能越来越多，所以为什么不就这个问题开展一个内部研究呢?有没有更好的方式来快速批量生产这种有局部区别的大量构件?”Galjaard说。

混凝土的3D打印仍然处于早期试验状态，但是在建筑业实际上已经处于领先了。研究人员已经用3D打印完成了特殊曲线的板型、复杂雕塑、甚至小型整体结构的试验。迄今为止3D混凝土打印甚至有几个完全不同的实现方法正在同步研发。其中之一就是通过在混凝土与砂石及聚合物的特殊混合材料上喷涂催化剂来实现。另一个实现方法是在已经成型的混凝土层上继续压上新的湿水泥。

插图1：一个项目上需要1200个采用传统机加工制造的零件，每一个零件的造型都是独一无二的。这个项目激发了工程师们对于逐层黏合制造技术的展望。

插图2：这个漂亮的3D打印构件实现了制造过程的最高效率优化，而不是为了好看。
金属和钢材料的逐层黏合技术完全不同。Galjaard解释了目前正在试验的方法，将一层非常薄的合金粉末放置于边长40CM立方体的空腔中。通过一束激光对粉末进行照射，根据计算机模型中设计好的位置进行局部加热，随后不断加入更多粉末并伴随激光照射。每一次激光照射之后，不但会融化合金粉末，而是连已经成型的下层金属一同加热融化，直到上下层的熔接彻底完成。

成品成型后从空腔内取出，而余下的粉末将被回收，根据其配方还能重复使用10到100次。最终回收利用率是有限的，即使蓬松的粉末没有直接被激光照射过，也因为在生产腔中受热变质而无法反复使用。

航空航天已经是该技术的先驱，用于避免在造价高昂的高强度轻型材料在生产中的浪费。

“我们的挑战是找到如何设计这种产品的方法，”Galjaard回忆道。“我们不想采用最初设计的节点构件造型然后直接打印，因为这些原始造型师为了传统生产加工工艺而设计的。于是我们从草图开始，采用新的边界条件，尝试定义节点构件的功能必要性，然后看看能不能找到优化设计方案。”

团队从最基本的内容开始：构件节点功能到底是什么?是如何受力的?团队能够从很多部位去掉功能多余的材料。但是逐层黏合制造技术的关键是在空腔上方产生能够受力的水平表面。这需要精心设计和精准的支撑位置布局。

“当然我们可以打印出任何形状，但是可能出现打印出来的支撑结构在打印完成后需要去掉的情况，”Galjaard说。团队想竭力避免这种后处理的情况，尽量用一次成型的方法实现“够聪明、够顺利、够经济”的优化方案。

Galjaard说，这个过程是在最大设计自由度和逐层黏合制造技术之间取舍平衡的结果。“对于我们工程师来说，如何解放思想，避免重蹈传统机械加工工艺束缚的设计思路，是非常有意思的一次尝试”

直到制造开始，整个团队才终于意识到再也不用受传统机加工工艺的约束，可以享受自由设计的巨大优势。“那么多年以来，我们一直被传统机械加工工艺(切削铣磨)禁锢着”Galjaard解释说“我认为3D打印给我们带来了非常大的设计自由，能够尝试新一代制造技术带来的最大效益。”

最终的构件节点造型非常别致，具有扫帚一样的结构带着树枝状支撑延伸到顶层的平台结构。但整个团队并不考虑设计中的美学因素。

“我们没有做任何美化，实际上这个造型要比原始节点构件的功能性强得多。我们只在力学需要的位置放置了材料(也就是说，整个构件没有一丝多余的材料)”Galjaard说。尽管没有考虑美学因素，她认为这项技术带来的设计自由提高了结构件的视觉观感。

“这很可能导致力学结构的可视化。从某种程度来说，我认为，这会对整个行业产生影响，也就是说，从设计方面以前我们根本没有意识到的问题。很可能未来的力学结构将会从外观上由隐蔽结构变为可见结构。”Galjaard说。

从现在看来，团队对节点结构件的重新设计更直接的结果是高度简化。原型构件被设计为不锈钢成型，因为制造商库存中只有这种钢材，所以节点构件生产出来之后实际结构强度比计算出的必要值要大四倍。

尽管节点构件的强度没有进行直接测试，研究小组仍然通过3D打印出来的钢条进行了测试，结果达到预期指标。“尽管刚刚开始，确实达到了非常不错的结果，”Galjaard说。“但是在我们真正开始应用该项技术实现完整结构的建筑之前，还有很多材料科学的研究工作要做，还有很多经验需要积累。”

目前，钢材料逐层黏合生产技术仍然比传统机械加工技术要昂贵得多。因此，Galjaard不认为该技术能够在短期内应用大量的梁柱简单结构上面。她认为更快的应用是在类似上文提到的这种需要小型复杂结构件的应用上。

“在建筑结构行业，需要制造互相连接的部件。现在我们能够结束现场大量不同形状构件的安装连接工作，”Galjaard说。“该技术……提供了集成上述不同结构产品的选择，使得一个构件产品实现全部功能，一次成型，打印即可。”

这样就能大大降低安装成本，一方面结构件的数量减少了，一方面安装复杂度也降低了。更多好处是生产过程中材料大量节省，产生的部件更轻巧，运输成本更低廉。在某些项目上，这些效益会带来更多附加值，Galjaard说。

“从观察构件的全生命周期角度出发，尽管直接成本还是高居不下。但举个例子来说，在结构项目上，如果所有的节点都减轻了重量，那么整个结构的重量也大大下降。这样所有的部件都能变得很轻巧很便宜，因此整体成本会大幅降低，”她补充说。

“确实还有很多因素需要考虑进去。虽然现在还做不到全盘考虑，但是我们认为对于合适的项目而言，该技术的确有很高的经济性。”Galjaard这样认为。

从现在开始，Arup团队已经在第二个小规模项目上重新设计节点构件，用于测试逐层黏合制造技术的实用性。“每次都能给我们带来惊喜。我们只要想到了，产品就能实现。可能刚开始会说‘不可能’!但很快就会发现，为什么不那么做?这确实有点探险的意思，”Galjaard说。

“这非常鼓舞人心，但是也很有意思，特别是技术本身是如何影响我们的思维方式。来过这里的设计师和工程师都对此非常感兴趣，”她补充道。

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