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桥梁结构饰件3D打印材料及实现探讨

日期:2021年09月15日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:114
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202109102214561703 论文字数:38855 所属栏目:结构工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
相关标签:结构工程论文

本文是一篇结构工程论文,本研究课题的提出缘起依托工程桥梁方案的外观艺术性创作,其独特的景观造型需通过桥梁结构饰件来实现,若采用传统施工工艺会有相当的难度,如何突破传统设计、施工模式束缚,将桥梁景观造型付诸实现是本文研究的方向。通过市场调研以及对 3D 打印关键技术的分析研究,确定结合 BIM 技术,采用 3D 打印桥梁饰件的方式是实现桥梁景观造型的可能途径。


第一章 绪论


1.1 3D 打印关键技术及应用情况

3D 打印技术,作为一种产业用语称呼,实际是指增材制造[AM(AdditiveManufacturing)],学术上旧称为快速成型[RP(Rapid Prototyping)][1]。增材制造不同于减材制造方法,其原理是根据制作好的数字模型文件,利用水泥基材料或金属粉末等基本材料,通过逐层打印、堆积或固化成型的方式来制造构件。3D 打印技术区别于传统制造工艺,无需原胚和模具,就能直接按照计算机图形数据,采用增加材料的办法制作任何外形的物体,简化产品的制造流程,减少产品的制造时间,提高效率且能降低成本[2~6]。目前 3D 打印技术主要有熔融沉积、数字光处理、聚合物喷射、选择性激光烧结、分层实体制造、选择性热烧结、激光直接烧结金属等技术[7~12]。

目前,3D 打印技术主要应用在工业制造领域,其消费市场呈现出高速发展的趋势。近年来,3D 打印技术在工业应用下游行业不断拓展,直接零部件制造的占比也逐年提高。据统计,3D 打印技术的行业应用主要分布于消费电子、汽车、医疗、航空航天、建筑、军工等领域。3D 打印技术在消费电子产品开发上优势明显,主要应用在产品模具和工具的设计制造以及微电路的封装制造两个方面;3D 打印技术适用于汽车设计制造的原型制造和模具开发等环节;在航空航天领域主要应用于无人飞行器的结构件加工,生产一些的特殊的加工及组装工具,涡轮叶片、挡风窗体框架、旋流器等零部件的加工;3D 打印技术适用于个性化需求,在医疗行业,特别是修复性医学领域,个性化需求十分明显[13~20]。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 3D 打印材料

在 3D 打印领域,3D 打印材料的发展及其应用至关重要,它是 3D 打印产业发展的先决条件,决定着 3D 打印技术能够适用于哪些领域。

国外 3D 打印材料产业正处于快速发展阶段,预计到 2022 年,全球打印材料的市场规模将达到 16 亿美元。欧美一些发达国家正在积极研发成型简便、性能可靠的新材料以适用于打印设备,一批增材制造公司已在金属、陶瓷及复合材料等方面推进产业化工作。在 3D 技术起源的美国,《时代周刊》将 3D 打印列为“美国增长最快的十大工业之一”。2012 年,美国政府花费 10 亿美元组建了美国国家制造业创新网络,增材制造材料是其中一个重点的研究发展方向,为了保证增材制造技术为材料的要求,还同时制定了《材料基因组计划》。欧盟地区的增材制造材料研发机构与生产企业之间也形成了技术联盟,得到了政府数百万美元的资助[21]。

国内 3D 打印材料的产业发展还处于初级阶段,对打印材料的研究起步相对较晚。但随着在某些行业中的实际应用,3D 打印技术逐渐引起了社会的广泛关注,被列入了国家高技术研究发展计划,即“863 计划”,中国制造强国战略中也要求加大 3D 打印技术和设备的研发力度,推动其产业的快速发展。各项政策措施有效促进了国内 3D 打印材料产业的发展。随着 3D 打印行业的快速发展,打印材料产业的发展潜力巨大,市场规模也在快速增长。目前国内多数企业还不具备研发、生产打印材料的技术实力,新材料的研发工作主要由高校或以研究中心为主体的科研机构开展,在 3D 打印材料基础理论以及技术研究方面较国外还相对薄弱[21]。

表 1 3D 打印材料及技术类型

表 1 3D 打印材料及技术类型

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第二章 桥梁结构饰件的 3D 打印数字模型分解及集成


2.1 特殊构件精细化 BIM 模型

2.1.1 3D 打印建模精度

(1)模型精度概念

在实际工程的 BIM 技术应用中,其核心工作就是三维模型的建立与管理,美国建筑师协会(简称 AIA)E202 号文件为指称 BIM 模型组件在工程建设周期不同阶段 中 的 完 整 性 水平 (Level of Completeness) , 使 用 了 五 种 LOD ( Level ofDevelopment)来定义,即 LOD100~LOD500(表 2.1)[35~36]。这已被广泛运用来定义工程信息模型内容和具体标准。

表 2.1 LOD 定义说明表

表 2.1 LOD 定义说明表

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2.2 基于 BIM 的 3D 打印数字模型分解及集成方法

2.2.1 3D 打印数字模型分解及集成原则

(1)空间连续性

利用 BIM 技术进行 3D 打印数字模型分解的时候,必须保证空间的连续性。首先分解并后续拼装后不能修改分解前的外形尺寸,保证设计意图的真实实现;其次拼装接缝必须满足外观要求,不能影响受力及外观。

(2)打印头路径可行性及合理性

利用 BIM 技术进行打印头路径模拟的时候,必须严格接合 3D 打印机打印特点,使 BIM 虚拟打印头路径能满足硬件需求,并能真实完成打印构件的结构内容,保证虚拟打印头路径的的合理性。

(3)材料经济性

3D 打印的耗材较为昂贵,通过 BIM 技术可最大计算出使用耗材的数量,利用BIM 技术,可对不同方案进行对比,接合受力、耗材数量等进行优化。

(4)打印高效性

通过 BIM 技术,可在打印前在虚拟数字中对打印过程及打印成品进行检查和验证,找出其中的不足,优化施工组织等,大大提高工作效率,从而指导后续打印工作顺利完成。

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第三章 桥梁结构饰件的 3D 打印制造工艺及打印材料.............................18

3.1 桥梁结构饰件的 3D 打印路径..................................18

3.1.1 3D 打印基本流程.............................18

3.1.2 针对分层截面上尺寸精度的路径规划................18

第四章 桥梁结构饰件 3D 打印的工程应用研究......................................... 37

4.1 依托工程概述........................................37

4.1.1 工程背景.........................................37

4.1.2 工程规模及建设条件.........................37

第五章 结论与展望........................ 62

5.1 结论..........................62

5.2 展望.....................................62


第四章 桥梁结构饰件 3D 打印的工程应用研究


4.1 依托工程概述

4.1.1 工程背景

依托工程位于广西壮族自治区某风景名胜区内,该工程的建设将极大的改善当地交通条件,增强道路的通行能力,缩短旅游的出行时间和距离,提高运输服务水平和旅游质量,有利于促进商业、旅游业的发展,进一步壮大地区经济,拉动整体经济增长,有利于旅游业快速发展。依托工程的实施对推动地区旅游转型、升级,实现旅游产业的高端化、精品化、多元化目标具有极为重要的意义。桥梁方案除了传统意义上的满足标准规范、方案经济、实施方便、结构安全等之外,还需要充分结合旅游环境,理解地域文化,融入旅游元素,打造生态景观标志性建筑,采用交通+旅游的模式,使依托工程成为旅游环境中的一粒明珠,因此对桥梁造型及景观要求极高。

4.1.2 工程规模及建设条件

依托工程大桥总长 463m,其建设标准采用一级公路,兼具市政道路功能,设计车 80km/h,桥面总宽 31m,双向四车道(预留远期改造为双向六车道)。主桥采用预应力砼变截面斜腹板连续刚构形式,大桥桥跨布置为(79+140+79)m,两岸引桥均采用装配式预应力混凝土箱梁,跨径布置为 4×20m。

依托工程地处桂江流域,属亚热带季风气候,气候温和湿润,雨量充沛,日照充足,温和湿润,四季分明。地区内岩溶地区和低海拔地区夏长冬短,东北、西南部高海拔山区冬长夏短,春秋适中。气候受季风影响,一年的旱、涝、冷、热变化大。

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第五章 结论与展


5.1 结论

本研究课题的提出缘起依托工程桥梁方案的外观艺术性创作,其独特的景观造型需通过桥梁结构饰件来实现,若采用传统施工工艺会有相当的难度,如何突破传统设计、施工模式束缚,将桥梁景观造型付诸实现是本文研究的方向。通过市场调研以及对 3D 打印关键技术的分析研究,确定结合 BIM 技术,采用 3D 打印桥梁饰件的方式是实现桥梁景观造型的可能途径。本文从保证桥梁主体及饰件结构安全和耐久性的角度出发,开展了桥梁结构饰件 3D 打印材料及实现研究。主要成果和结论如下:

(1)针对目前 3D 打印工艺的特点,研究并提出了面向 3D 打印的 BIM 模型建模方法、基于优化 3D 打印工作的 BIM 模型应用方法、3D 打印数字模型分解及集成方法。针对 BIM 模型与 3D 打印数控接口开发的研究,有效解决了 BIM 模型与 3D打印机间的数据格式转换问题。

(2)分析研究了 3D 打印路径与工艺参数优化、3D 打印材料优缺点,并在

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