比翱工程实验室丨迈向自成型超材料壳体：建筑尺度双曲面结构混合增材制造的计算设计工作流程

此项研究工作开发了一个用于设计和预测自成型混合结构计算设计工作流程。该框架通过两个不同尺度的物理原型进行了测试，展示了超材料构型图案（MMP）如何用于自成型建筑尺度双曲线结构。该系统可用于建造通常在结构上性能良好但由于生产和安装过程困难而通常避免使用的壳体。研究团队设想了一种构建方法，通过简化的2.5 D制造实现复杂的3D几何形状，具有通过扁平包装运输减少碳足迹并通过现场自我塑造减少劳动力和脚手架的潜力。随着制造装置的进一步改进，所提出的研究为复杂建筑结构的建造提供了一种低影响的解决方案。通过这种方式，它在环境和技术上为我们的建筑方式做出了贡献，朝着更可持续的建筑方法迈出了一步。

图1：(a) 由3D打印的生物基复合超材料图案(MMP)和集成木材调节器增材制造的轻质自成形双曲面壳结构。(b) 刚度可调图案和调节器连接的细节。双曲率实现了优雅且材料高效的外壳结构，但它们的构造通常依赖于繁重的机械加工、手工劳动以及额外使用作为一次性模板而浪费的材料。使用材料的内在特性进行自成型是解决这个问题的一种能源和资源高效运用的解决方案。这项研究提出了一种自成型双曲面壳结构的制造方法，将木材调节器的吸湿变形和可扩展性与3D打印超材料图案的可调性相结合。使用混合机器人制造，通过干燥将部件增材制造成平面和自主形状，以达到预先编程的配置。图2：计算设计工作流程概述：定义系统参数、原型的混合增材制造、通过干燥和评估进行自成型。 包括基于晶格和壳的有限元模型的计算设计工作流程被开发用于超材料图案、调节器布局和形状预测的设计。该工作流程通过厘米和米尺度的物理原型进行了测试。结果显示了自成型双曲面壳结构作为一种资源高效的物理形式生成方法的建筑规模概念证明。图3：初始厘米尺度测试显示可变MMP对曲率的影响。(a) 使用桌面熔融沉积建模(FDM)打印机、聚丙交酯(PLA)灯丝和木饰面双层调节器，在单元几何形状变化的情况下进行物理测试，以产生抗互反曲、单弯曲和同步弯曲。(b) 初始数字测试与单元几何形状的变化（T = 确定凹度的角度参数） 壳结构在建筑中具有优势，因为双曲率产生的几何刚度使它们具有很高的材料效率。计算建模和仿真技术的最新进展为建筑师和工程师提供了复杂的工具，可以轻松设计优雅且具有几何性能的结构。图4：小尺度原型。(a) 目标几何的高斯曲率值用于调整MMP，调节器放置在具有最高第一主曲率的单元格上。应用深度梯度以确保曲率连续性。(b) 自成形结构的有限元模拟。(c) 在1:10物理原型中自成型的结果 然而，用传统的施工技术建造双曲线设计是费力的，需要复杂的机械加工或大型模板，产生过多的废料。在施工现场，成型或使用大型模板高度依赖熟练的体力劳动和复杂的脚手架。图5：演示装置制作。(a) MMP结构和打印步骤。(b) MMP和相关打印工具路径的变化细节。(c) 基础层的LSAM。(d) 在打印外壳层之前，将木材调节器集成到调谐的MMP中。 这项研究提出了一种替代当前壳构造实践的方法：通过使用材料的内在特性，可以将成型指令嵌入到材料系统中，并且可以用自成型代替传统的成型方法。该结构由混合材料系统制成，结合了自成型木材调节器和可调3D打印超材料图案(MMP)。它被设计为以平面配置制造，减少了3D成型的复杂性和过度。图6：演示装置。(a) 152小时内大型演示器的自整形序列。(b) 从模拟中预测的几何形状。 (c) 致动状态下的自成形结构。(d) 具有同步(+/+)、互反曲(+/-)和单弯曲(0)弯曲区域的自形几何体的3D激光扫描。 然后它会在现场自主地自我塑造成预编程的双曲线几何形状。进而可以通过约束结构的边缘或内部部分来锁定形状以避免进一步变形。自成型系统的开发是材料科学和工程中一个不断发展的研究领域。平面晶格中的几何自成形机制已在较小的尺度上得到证明。在类似的规模上，预应力增强弹性膜已用于可展开元件，当释放时从平面弹起。这些系统是可扩展的，但需要在部署时控制高压力。图7：集成3D打印卡扣锁紧机构的初步开发。(a) 平面状态图。(b) 弯曲状态图。(c) 物理原型柔性状态。(d) 物理原型锁定状态。(e) 锁定机构细节。 自成型木材。以双层的形式，木材成为产生曲率的自然调节器。它既具有吸湿性又具有各向异性，这使其对周围的相对湿度(RH)做出响应，并根据其纹理方向和木材含水量(WMC)改变形状。当用于塑造大型弯曲木材元件时，木质双层在干燥过程中被制造成扁平和自我成型。尽管可以从木质双层中实现单曲率，但在实木板中产生双曲率只能在有限的程度上实现并且难以预测。研究团队还使用有限元(FE)模型和桌面原型对自成型木格壳进行了研究，但迄今为止设计自由度有限。已经使用类似规模的原型研究了自成型木材调节器与用于单曲线几何形状的3D打印结构相结合的原理。图8：基于构件的双曲面壳结构自成形的概念 大型演示装置展示了扩大自成型木材和3D打印MMP以实现双曲面外壳几何形状的潜力。研究团队开发了一种计算设计工作流程，用于预编程具有面向目标几何的拉胀图案生成和调节器方向的自成形表面，从而产生具有嵌入自成形信息的结构。事实证明，研究团队的模拟能够预测自成型过程和最终几何形状，是一种有用的设计工具。最后，我们为在机器人大规模增材制造（LSAM）过程中使用的拉胀超材料实施了优化的打印序列。虽然使用开发的工作流程对几何进行预编程并升级该材料系统是成功的，但自成型过程并未完全按预期进行。最值得注意的问题是调节器和MMP的分离导致应力相关故障和模型偏差。如果原型从驱动开始就得到支持，并且通过更好的调节器集成，原本是可以避免的。

原文来源：E. Özdemir, L. Kiesewetter, K.Antorveza, T. Cheng, S. Leder, D. Wood, and A. Menges，Institute for Computational Design and Construction, Keplerstr. 11, 70174 Stuttgart, Germany (2022) TowardsSelf-shaping Metamaterial Shells:. In: Yuan P.F., Chai H., Yan C., Leach N.(eds) Proceedings of the 2021 DigitalFUTURES. CDRF 2021. Springer, Singapore.https://doi.org/10.1007/978-981-16-5983-6_26

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