增材制造技术原理及其在建筑行业的应用研究

摘要

进入21世纪后，数字技术得到了快速的发展，并且深入到人们生活的方方面面，给社会各个领域都带来了翻天覆地的变化，也给建筑业的发展注入新的动力。在信息化社会，社会生产已经与计算机技术紧密切相关，计算机技术无时无刻不影响着社会生产实践。同样，数字化建造技术对建筑行业的影响也是不言而喻的，从理论方法到工程实践都为建筑行业带来巨大的突破。3D打印技术是数字化建造技术中的一项新兴技术，目前在建筑领域正在不断的应用和发展。
　　目前由于应用于建筑打印材料的昂贵、打印机技术不够成熟、打印过程中材料的浪费等原因都限制了增材制造技术（又称3D打印技术）在建筑行业的应用发展，因此目前只有少量工程中应用到了3D打印技术。本文通过对“城之莲”商业广场建筑结构的设计及打印，对打印过程中出现的物体分割问题、材料优化问题、空间结构优化等问题进行了分析研究，并应用基于熔融层积成型（Fused Deposition Modeling,FDM）原理的3D打印技术对“城之莲”商业广场进行了缩尺打印，以指导3D打印在建筑行业中的进一步应用。本文的完成的主要工作如下：
　　1、本文阐述了论文研究背景与意义，归纳了国内外关于数字化建造技术、3D打印技术的研究现状，并对3D打印技术的含义、特点、材料和应用领域进行了阐释。
　　2、从3D打印的行业背景、技术工作过程、技术支持和打印机的种类等方面对3D打印进行基本理论进行了阐述。进一步，从轮廓工艺（Contour Crafting）、D型工艺（D-Shape）和混凝土打印（Concrete Printing）三个方面对3D打印技术在建筑行业中的应用进行了研究，并结合具体工艺对3D打印建筑材料性能进行了分析比较。
　　3、对3D打印模型中的关键问题，如物体分割、材料优化及空间结构优化等方面进行了研究，并重点对轻质高强的“蒙皮-框架”支撑结构体系进行了分析。将上述技术优点应用于“城之莲”商业广场建筑模型的设计。
　　4、针对复杂结构增材制造的难题，研究了其3D打印建筑过程中的计算机模型的切片处理方法，如3D打印过程中模型的建立、文件格式的转换、切片文件的建立，以及相关软件的应用。
　　5、对基于FDM原理的3D打印技术进行了重点研究，包括：FDM工艺原理、材料的匹配、工艺特点以及对应3D打印机构造等。最后，利用该技术实现对“城之莲”商业广场建筑模型的3D打印。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容和方法

第二章 3D打印技术的理论研究

2.1 引言

2.1 3D打印的行业背景

2.2 3D打印的工作过程

2.3 3D打印的技术支持

2.4 3D打印机的种类

2.5 打印技术在建筑行业中的应用

2.6 本章小结

第三章 3D打印模型的关键问题研究

3.1 引言

3.2 物体分割问题

3.3 材料优化问题

3.4 空间结构优化问题

3.5 本章小结

第四章 3D打印模型的建立及切片流程

4.1 引言

4.2 Sketchup 软件

4.3 “城之莲”模型的构思

4.3 “城之莲”模型的建立

4.5 点云数据三维重建模型

4.6 “城之莲”模型切片处理过程

4.7 本章小结

第五章 基于FDM原理的3D打印技术及工作流程

5.1 引言

5.2 FDM工艺基本原理、适应材料及其优点

5.3基于FDM原理3D打印机的组成及各部件功能

5.4 3D打印“城之莲”整体工作流程

5.5 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

附录

附录1：基于Matlab的二维板结构拓扑优化的程序语言

附录2：控制打印机喷头打印路径的G代码指令

参考文献

致谢

硕士在读期间发表论文及发明专利