CN113561490A - 一种4d打印折叠空间结构智能建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种4D打印折叠空间结构智能建造方法：根据结构功能需求和服役标准确定高强建筑材料和形状记忆材料，确定正常使用状态空间结构造型，对结构框架进行空间优化与力学分析；结合功能要求确定使用工况，设计不同结构折叠状态并确定空间定位关键节点形态、数量和转动变形参数；根据空间框架结构受力和折叠过程需求确定形状记忆材料的空间节点形态和质量分配；以高强建筑材料增材制造空间框架，以形状记忆材料增材制造节点，与轻质膜材料按初始状态组合制造；根据结构不同折叠设计状态控制分步骤变形，实现自适应智能建造。该方法可适用于环境恶劣地区的建筑施工、更高效率建造建筑结构和最大化使用材料的力学性能，变形性能。

Description

一种4D打印折叠空间结构智能建造方法

技术领域

本发明涉及数字设计、信号控制、增材制造、智能建造，空间结构等技术领域，特别是涉及到一种4D打印折叠空间结构智能建造方法。

背景技术

3D打印技术能够快速成型、增材制造，在各个行业得到迅速广泛的推广。3D打印建筑可由计算机控制实现空间任意造型设计，将结构受力与建筑美学相结合，同时能够有效减少建筑垃圾，提升施工效率，缩短工期，减少人工，提升机械化水平，整体上降低能耗，有助于环境改善，因此是一个非常有潜力的发展方向。2013年1月，荷兰采用3D打印混凝土建造了莫比乌斯环状房屋，同年1月欧洲航天局研发利用月球土壤和其他材料3D打印空间站的建设技术。2013 年1月，中国盈创公司完成了临时建筑的打印。2015年，我国在苏州打印了一座小型多层建筑结构。当前3D打印结构型式受限于材料性能，多为小型民用建筑结构配件或者建筑装饰。4D打印，在3D 空间建造的基础上添加了时间维度，可自动实施3D空间建造设计结构技术。2013年2月，美国麻省理工学院MIT与Stratasys教育研发部门合作研发出可让材料快速、自动、时变成型为产品的革命性新技术。2014年，美国Tibbits研发出一种材料，能够自动折叠成箱子。随着4D打印在实验室中取得成功，将给建筑和制造行业带来革命性的改变。

4D打印是以具有形状记忆效应的智能材料为基础的一种应用技术，通过热、化学、机械、光、磁、电等外界刺激改变材料形状、位置、应变、硬度、频率、抗震、摩擦等动态或静态技术参数实现产品制造或者结构建造。如图1所示，形状记忆材料主要包括合金，高分子聚合物和陶瓷等，根据形状恢复原理可分为热致型、电致型、光致型、化学感应型等，可以制成薄膜、纤维、丝线、颗粒等品种形式，也可以与其他材料结合制成复合材料，制作铰链结构、温控器件，生物监测，日常装备，光控电路、航空设施等等，有着广阔的应用前景。虽然4D打印技术在科研领域进行的如火如荼，但是在专利申请方面还处于起步阶段。目前国内外涉及4D打印技术的专利申请寥寥无几，申请方向主要集中在复合材料的制备以及技术应用方面。中国台湾 TWM483189U公开一种四维打印基材，体积可随温度及湿度改变，相应的凹痕的大小、形状、深浅，凹痕之间的布局等也随之变化。中国CN104116578B通过4D打印成型人工血管支架，这种支架采用形状记忆聚合物作为原料，在植入人体时无需扩张(或采用较小的扩张力)即可到达指定位置，此后在外场激励下发生弯曲、扭曲、膨胀等自我变形最终达到预设三维空间构型，与血管内壁的紧密稳定贴合，降低扩张过程对血管壁的强烈冲击，降低血管壁撕裂风险。 CN106738875A公开了一种4D打印方法，可以对成型构件中主被动材料的几何模型进行设计、打印，从而实现可编程控制材料的曲率变化。CN105602213B发明一种记忆微纳米复合材料。2017年，中国第四军医大学西京医院完成世界首例计算机辅助4D打印乳房重建术。通过对乳腺癌患者进行乳腺大范围切除后，在缺损的乳腺组织处植入预先设计好的4D打印生物可降解材料填充物，成功进行了乳房重建。

4D打印技术依赖于形状记忆材料的研发和应用。1938年美国的 Greningerh和Mooradian发现了形状记忆合金，1996年K.Ullakko 等人在化学计量比Ni-Mn-Ga单晶中获得0.2％的可恢复应变，并证实该应变是由马氏体孪晶变体再取向所引起的。以Ni-Mn-Ga为代表的磁性形状记忆合金引起了科研工作者极大的关注和广泛的兴趣。迄今已经发现了几十种不同记忆功能的形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)，力学性能优越，成本适中，高强耐蚀、无毒耐久。形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer，简称SMP),又称为形状记忆高分子。日本的石田正雄最先发现热致型SMP形状记忆功能原理。与形状记忆合金相比,形状记忆塑料具有变形量大、易加工、形状响应便于调整、保温、绝缘性能好等优点,而且不锈蚀、易着色、可印刷、质轻价廉,因而获得广泛应用。随着冷蛰伏弹性记忆(CHEM)工艺，SMP在柔性电子、生物医学和航空航天等领域广泛应用。当前实验室制备的形状记忆塑料具有良好的力学性能和形变能力(形变可达300-400％)，优良的形状记忆性能和适当的形变温度(约在60-75℃的范围内)。2002年，中国艾默生电气投资有限公司发明了一种形状记忆陶瓷及其制备方法。2008年，中国香港理工大学发明一种环向形状记忆聚合物，在建筑结构中，SMA主要应用于抗震减震控制的阻尼器。2002-2010年，清华大学李庆斌课题组将SMA偏心植入混凝土构件中形成一种预应力合金混凝土梁式结构。2010年大连大学王伟等采用SMA智能修补混凝土结构的方法。2013年，胡金莲等发明了一种具有水响应形状记忆功能的高分子材料。2014年，瑞士研究出 160摄氏度可激活的新型铁锰硅形状记忆合金，被认为可以用建筑工业领域。2015年，陈庆发明了一种用于三维打印的形状记忆合金材料及其制备方法，2016年，王倡春等提出一种压力敏感形状记忆材料及其制备方法。2016年1月，浙江大学化学工程与生物工程学院谢涛教授课题组研发新型形状记忆塑料，能多次“植入”复杂形状记忆，遇热展现多样形变。2016年，美国罗切斯特大学研发出一种新型温度敏感形状记忆聚合物，形变释放能量达到自身重量的1000倍。2017 年，日本东北大学研制出一种超轻形状记忆合金，在特定温度下可承载普通金属几十倍应变，表现出“超弹性”。

形状记忆材料与3D建造技术结合起来，形成全过程建造自动化的4D智能建造技术，适用于环境恶劣地区的建筑结构施工，例如灾后重建环境，极地环境，海底环境或者太空环境下的快速空间结构建造，一方面可以结合当前材料科学，信号控制，空间结构造型设计和结构力学分析各个学科技术优势形成一种新型制造技术，另一方面可以更有效率地建造建筑结构，极大降低能耗，有利于可持续发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种4D打印折叠空间结构智能建造方法，采用变形大，可控性能良好的形状记忆材料作为控制节点、高强材料作为建筑框架提供结构框架支撑，轻质膜材料提供结构外部封闭，设定时变信号控制变形造就空间造型，形成4D打印空间折叠建筑结构，可展可收，全过程建造自动化。

本发明提供如下技术方案：

一种4D打印折叠空间结构智能建造方法，所述方法包括以下步骤：

(1)根据结构功能需求和服役标准确定高强建筑材料和形状记忆材料，确定正常使用状态空间结构造型，对结构框架进行空间优化与力学分析；

(2)结合功能要求确定使用工况，设计不同结构折叠状态，根据不同结构折叠状态确定空间定位关键节点形态、数量和转动变形参数；

(3)根据空间框架结构受力和折叠过程需求确定形状记忆材料的空间节点形态和质量分配，以及确定高强钢材固定构件和转动构件的几何模型；

(4)采用3D打印按照数字设计模型以高强建筑材料增材制造空间框架，以形状记忆材料增材制造节点，与轻质膜材料按初始状态组合制造；

(5)根据结构不同折叠设计状态控制分步骤变形，实现自适应智能建造。

优选的，组成新型空间结构的形状记忆材料包括形状记忆合金，形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷和形状记忆高分子材料等具有形状记忆性能的材料；组成新型空间结构的建筑材料包括金属、纤维复合材料、高分子材料等各种可增材制造高强材料；组成新型空间结构的膜材料包括各种轻质高强、保温隔热的轻薄可折叠复合材料，如玻璃纤维与聚四氟乙烯分散树脂(PTFE)膜，聚酯类面层PVC膜材料和聚酯膜(ETFE)等的一种或多种。

优选的，在步骤(5)中，根据结构不同折叠设计状态编程激励信息，以电信号控制分步骤变形，实现自适应智能建造。具体采用编程预设时变形状记忆材料的激励信号实现自动建造和可控折叠功能。

优选的，在步骤(5)中，根据结构不同折叠设计状态设计各节点形态、质量光感分步骤变形，使结构在自然光状态自动打开，无光状态自动折叠，实现自适应智能建造。该结构设计可用于太空基地结构智能建造。

本发明提供的4D打印折叠空间结构智能建造方法在建筑工程中利用形状记忆材料作为时变折叠变形控件，高强建筑材料作为承载骨架，轻质膜材料作为外部封闭，通过光、电、热等信息控制时变折叠组合形成空间结构。具体地：按数字设计模型以增材制造方式将高强建筑材料形成结构框架，将形状记忆材料形成转向控制节点，同时，通过设定光/电/热等时变信号控制形状记忆材料控制节点协同数控折叠外部封闭膜、高强建筑材料框架完成折叠、转动、变形实现时变空间造型，实现打印折叠智能建造结构的方法。

本发明提供的4D打印折叠结构空间智能建造方法有别于依赖传统制造技术的结构建造，结构构件及其节点连接考虑空间结构不同折叠状态，采用数字设计、增材制造；有别于传统结构施工的人工集成式建造，并不借助过多施工机械和人工辅助，只需要计算机针对初态，中间态，展开态分别开计算分析和控制参数优化，以控制信号数字实施一体化结构整体制造，自动化建造。

本发明提供的4D打印折叠结构空间智能建造方法结构空间设计不局限于传统结构平面设计，立面设计和结构静/动力设计，还包括多折叠态多工况的空间结构受力设计和体型优化。

本发明由于采用以上技术方案，使其具有以下有益效果：

1.自动建造的4D打印空间折叠结构，可适用于环境恶劣地区的建筑结构施工，例如灾后修复或重建环境，极地环境，海底环境或者太空环境下的快速空间结构建造。

2.自动建造的4D打印空间折叠结构，可以结合当前材料科学，信号控制，空间结构造型设计和结构力学分析各个学科的优势形成一种新型智能建造技术，更节省制造/运输空间，更高效率建造建筑结构，极大降低能耗，节省碳排放。

3.自动建造的4D打印空间折叠结构，采用多折叠态空间造型优化设计，最大化使用材料的力学性能，变形性能。

附图说明

图1为形状记忆材料的结构变形示意图；

图2为4D打印折叠结构空间结构数字设计及智能建造流程图；

图3为实施例1中4D打印折叠的单层工业厂房结构及各阶段形态；

图4为实施例1中单层工业厂房折叠结构组成部分；

图5为4D打印折叠圆筒折叠结构及各阶段形态；

图6为实施例2中光致圆筒折叠结构组成部分.

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明提供的4D打印折叠结构空间结构数字设计及智能建造流程图如图2所示。

实施例1

以一单层工业厂房框架结构演示4D建造技术：

1.根据结构功能需求和服役标准确定高强建筑材料为高强钢材，形状记忆材料确定为镍钛合金，根据使用工况,荷载组合状态优化空间结构为单层框架结构框架；

2.结合承载力极限状态要求进行结构力学分析，根据不同结构折叠状态，见图3所示,a为打印完成初态，b为中间态1，c为中间态2， d为展开态，确定空间折叠关键节点形态、数量和转动变形参数，命令流编程实现；

3.根据空间框架结构受力和折叠过程需求确定镍钛合金记忆材料空间节点形态,质量分配，确定高强钢材固定构件和转动构件的集几何模型，见图4所示，其中1为镍钛合金节点，2为高强钢材构件， 3为可转动高强钢材构件；

4.采用3D打印按照数字设计模型以高强钢材增材制造空间框架，以镍钛合金形状记忆材料增材制造节点，与轻质膜材料按初始状态制造组合；

5.根据结构不同折叠设计状态编程激励信息，以电信号控制分步骤变形，实现自适应智能建造。

实施例2

以折叠圆筒结构为例演示4D建造技术：

1.根据结构功能需求和服役标准确定高强建筑材料为FRP复合材料，形状记忆材料确定为光致基团聚氨酯，根据使用工况,荷载组合状态优化空间结构圆筒结构；

2.结合承载力极限状态要求进行结构力学分析，根据不同结构折叠状态，见图5所示,a为打印完成初态，b为中间态1，c为中间态2， d为展开态，确定空间折叠关键节点形态、数量和转动变形参数，命令流编程实现；

3.根据空间框架结构受力和折叠过程需求确定镍钛合金记忆材料空间节点形态,质量分配，确定高强钢材固定构件和转动构件的集几何模型，见图6所示，其中4为光致基团聚氨酯节点，5为高强FRP 构件；

4.采用3D打印按照数字设计模型以高强钢材增材制造空间框架，以光致基团聚氨酯形状记忆材料增材制造节点，与轻质高分子膜材料按初始状态制造组合；

5.根据结构不同折叠设计状态设计各节点形态、质量光感分步骤变形，使结构在自然光状态自动打开，无光状态自动折叠，实现自适应智能建造，该结构设计可用于太空基地结构智能建造。

Claims (6)

1.一种4D打印折叠空间结构智能建造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)根据结构功能需求和服役标准确定高强建筑材料和形状记忆材料，确定正常使用状态空间结构造型，对结构框架进行空间优化与力学分析；

(2)结合功能要求确定使用工况，设计不同结构折叠状态，根据不同结构折叠状态确定空间定位关键节点形态、数量和转动变形参数；

(3)根据空间框架结构受力和折叠过程需求确定形状记忆材料的空间节点形态和质量分配，以及确定高强钢材固定构件和转动构件的几何模型；

(4)采用3D打印按照数字设计模型以高强建筑材料增材制造空间框架，以形状记忆材料增材制造节点，与轻质膜材料按初始状态组合制造；

(5)根据结构不同折叠设计状态控制分步骤变形，实现自适应智能建造。

2.根据权利要求1所述的4D打印折叠空间结构智能建造方法，其特征在于，所述形状记忆材料选自形状记忆合金，形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷或形状记忆高分子材料。

3.根据权利要求1所述的4D打印折叠空间结构智能建造方法，其特征在于，所述高强建筑材料选自金属、纤维复合材料或高分子材料。

4.根据权利要求1所述的4D打印折叠空间结构智能建造方法，其特征在于，所述轻质膜材料选自玻璃纤维与聚四氟乙烯分散树脂PTFE膜，聚酯类面层PVC膜材料或聚酯膜ETFE材料的一种或多种复合。

5.根据权利要求1所述的4D打印折叠空间结构智能建造方法，其特征在于，在步骤(5)中，根据结构不同折叠设计状态编程激励信息，以电信号控制分步骤变形，实现自适应智能建造。

6.根据权利要求1所述的4D打印折叠空间结构智能建造方法，其特征在于，在步骤(5)中，根据结构不同折叠设计状态设计各节点形态、质量光感分步骤变形，使结构在自然光状态自动打开，无光状态自动折叠，实现自适应智能建造。

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