結(jié)構(gòu)工程中金屬增材制造的研究進展、機遇和展望

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

盡管仍處于起步階段，金屬增材制造(AM)或3D打印現(xiàn)已達到適用于工程的規(guī)模。新技術(shù)通過提高自動化程度、增強定制化、減少材料使用和減少浪費，為提高經(jīng)濟性、可持續(xù)性、安全性和生產(chǎn)力提供了潛力。該工作綜述了結(jié)構(gòu)工程中金屬增材制造的最新進展，包括最新研究進展、當前趨勢和實踐應(yīng)用。重點放在定向能量沉積電弧(DED-arc)AM或線弧AM(WAAM)上，因為這被認為是滿足建筑行業(yè)要求的最有前途的技術(shù)。然后討論了WAAM在施工中的經(jīng)濟性和可持續(xù)性，以及關(guān)鍵的影響參數(shù)。最后，展望未來，提出了金屬增材制造在結(jié)構(gòu)工程中更廣泛應(yīng)用的機遇、展望和挑戰(zhàn)。

近期，英國帝國理工學(xué)院學(xué)者關(guān)于增材制造的最新綜述文章“Metal additive manufacturing in structural engineering-review, advances, opportunities and outlook” 在期刊《Structures》上發(fā)表。

金屬增材制造已經(jīng)進入許多工程學(xué)科，包括航空航天、生物工程和海事領(lǐng)域，并開始在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用。它有許多潛在的用途和好處，例如減少材料消耗、能夠輕松生產(chǎn)復(fù)雜、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)幾何形狀、減少浪費、便于在偏遠地區(qū)生產(chǎn)、混合材料、混合結(jié)構(gòu)、加固和維修。當然也存在許多挑戰(zhàn)、障礙和尚未解決的問題，例如，基本的機械性能、短期和長期結(jié)構(gòu)性能的一致性、幾何精度和可變性、施工速度和成本、質(zhì)量保證、設(shè)計、認證等。在結(jié)構(gòu)工程中廣泛采用金屬增材制造將需要解決這些問題。雖然安全是首要問題，但經(jīng)濟性和可持續(xù)性對于更廣泛地應(yīng)用該技術(shù)也至關(guān)重要。

該工作著重于定向能量沉積電弧(DED-arc)AM或線弧AM(WAAM)。第2節(jié)回顧了對WAAM鋼和不銹鋼基本材料特性的研究。第3節(jié)檢查了結(jié)構(gòu)橫截面、構(gòu)件和系統(tǒng)的行為。第4節(jié)考慮了WAAM連接的有前途的領(lǐng)域，包括回顧由WAAM制作的關(guān)于無處不在的lapspice和T-stub連接細節(jié)的實驗，以及對更優(yōu)化連接的機會的探索。事實上，優(yōu)化的主題可能對增材制造在結(jié)構(gòu)工程中的可行性至關(guān)重要，貫穿整篇論文，包括在第2節(jié)中利用材料各向異性的背景下，橫截面的幾何優(yōu)化、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在第3節(jié)，連接在第4節(jié)，加固和修復(fù)在第5節(jié)。經(jīng)濟學(xué)和可持續(xù)性在第6節(jié)中討論，金屬增材制造在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用前景在第7節(jié)中介紹。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

△WAAM鋼材料的斷裂拉伸試樣和從DIC獲得的斷裂處縱向應(yīng)變場

△WAAM管狀橫截面試驗的典型失效模式

△優(yōu)化的波紋殼

△優(yōu)化的WAAM鋼懸臂結(jié)構(gòu)

增材制造或3D打印是一種顛覆性技術(shù)，正在成為一種可行的建造方法。本文綜述了結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域金屬增材制造的研究和實踐進展。定向能量沉積電弧(DED-arc)AM或線弧AM(WAAM)被認為是最符合施工需要（適當?shù)乃俣取⒁?guī)模和尺寸精度）的技術(shù)，并且有越來越多的實驗數(shù)據(jù)證實其適用于承重應(yīng)用。材料測試通常顯示出良好的機械性能，盡管印刷參數(shù)和設(shè)備的影響、響應(yīng)的可變性和缺陷的發(fā)生以及其他不確定性都需要進一步研究。對結(jié)構(gòu)橫截面、構(gòu)件、連接以及整個系統(tǒng)的物理測試表明，如果通過使用未銑削試樣測試確定的材料特性來考慮竣工幾何形狀的影響，現(xiàn)有設(shè)計方法可提供合理的預(yù)測觀察到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。需要進一步的研究和數(shù)據(jù)來開發(fā)金屬增材制造結(jié)構(gòu)的設(shè)計框架和安全系數(shù)。

△橋梁載荷測試

△不同荷載條件下優(yōu)化梁柱連接

△增材制造的創(chuàng)新連接元件示例：(a) 梁鉤，(b) 管狀構(gòu)件的平面接頭，(c) 管狀型材的套管連接器

實踐中最有前途的早期潛在應(yīng)用被認為是連接、加固和修復(fù)以及標志性結(jié)構(gòu)，所有這些都可以使用優(yōu)化來利用AM提供的可用幾何自由度。優(yōu)化被認為是這項新技術(shù)的可行性、經(jīng)濟性和可持續(xù)性的關(guān)鍵。還需要更多的創(chuàng)新和想象力來充分利用可能的好處。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

總體而言，盡管金屬增材制造在建筑中的更廣泛應(yīng)用面臨著明顯的挑戰(zhàn)，但初步跡象是積極的，并且存在明顯的潛在好處。結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減少材料使用和浪費、提高自動化程度、加強和修復(fù)結(jié)構(gòu)以及建筑材料和產(chǎn)品的更多再利用都預(yù)計將成為未來更可持續(xù)的建筑行業(yè)的重要組成部分，增材制造無疑將成為這一領(lǐng)域的重要組成部分貢獻。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.istruc.2022.12.039