結構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，為提高經濟性、可持續(xù)性、安全性和生產力提供了潛力。該工作綜述了結構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。然后討論了WAAM在施工中的經濟性和可持續(xù)性，以及關鍵的影響參數(shù)。最后，展望未來，提出了金屬增材制造在結構工程中更廣泛應用的機遇、展望和挑戰(zhàn)。

近期，英國帝國理工學院學者關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。

金屬增材制造已經進入許多工程學科，包括航空航天、生物工程和海事領域，并開始在結構工程中應用。它有許多潛在的用途和好處，例如減少材料消耗、能夠輕松生產復雜、優(yōu)化的結構幾何形狀、減少浪費、便于在偏遠地區(qū)生產、混合材料、混合結構、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、短期和長期結構性能的一致性、幾何精度和可變性、施工速度和成本、質量保證、設計、認證等。在結構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，但經濟性和可持續(xù)性對于更廣泛地應用該技術也至關重要。

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)檢查了結構橫截面、構件和系統(tǒng)的行為。第4節(jié)考慮了WAAM連接的有前途的領域，包括回顧由WAAM制作的關于無處不在的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構工程中的可行性至關重要，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、構件和結構在第3節(jié)，連接在第4節(jié)，加固和修復在第5節(jié)。經濟學和可持續(xù)性在第6節(jié)中討論，金屬增材制造在結構工程中的應用前景在第7節(jié)中介紹。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應用！

△WAAM鋼材料的斷裂拉伸試樣和從DIC獲得的斷裂處縱向應變場

△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鋼懸臂結構

增材制造或3D打印是一種顛覆性技術，正在成為一種可行的建造方法。本文綜述了結構工程領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�、�?guī)模和尺寸精度）的技術，并且有越來越多的實驗數(shù)據(jù)證實其適用于承重應用。材料測試通常顯示出良好的機械性能，盡管印刷參數(shù)和設備的影響、響應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。對結構橫截面、構件、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)有設計方法可提供合理的預測觀察到的結構反應。需要進一步的研究和數(shù)據(jù)來開發(fā)金屬增材制造結構的設計框架和安全系數(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用被認為是連接、加固和修復以及標志性結構，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的可行性、經濟性和可持續(xù)性的關鍵。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用！

總體而言，盡管金屬增材制造在建筑中的更廣泛應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。結構優(yōu)化、減少材料使用和浪費、提高自動化程度、加強和修復結構以及建筑材料和產品的更多再利用都預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域的重要組成部分貢獻。

論文鏈接:

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