结构工程中金属增材制造的研究进展、机遇和展望

来源： 增材制造硕博联盟

尽管仍处于起步阶段，金属增材制造(AM)或3D打印现已达到适用于工程的规模。新技术通过提高自动化程度、增强定制化、减少材料使用和减少浪费，为提高经济性、可持续性、安全性和生产力提供了潜力。该工作综述了结构工程中金属增材制造的最新进展，包括最新研究进展、当前趋势和实践应用。重点放在定向能量沉积电弧(DED-arc)AM或线弧AM(WAAM)上，因为这被认为是满足建筑行业要求的最有前途的技术。然后讨论了WAAM在施工中的经济性和可持续性，以及关键的影响参数。最后，展望未来，提出了金属增材制造在结构工程中更广泛应用的机遇、展望和挑战。

近期，英国帝国理工学院学者关于增材制造的最新综述文章“Metal additive manufacturing in structural engineering-review, advances, opportunities and outlook” 在期刊《Structures》上发表。

金属增材制造已经进入许多工程学科，包括航空航天、生物工程和海事领域，并开始在结构工程中应用。它有许多潜在的用途和好处，例如减少材料消耗、能够轻松生产复杂、优化的结构几何形状、减少浪费、便于在偏远地区生产、混合材料、混合结构、加固和维修。当然也存在许多挑战、障碍和尚未解决的问题，例如，基本的机械性能、短期和长期结构性能的一致性、几何精度和可变性、施工速度和成本、质量保证、设计、认证等。在结构工程中广泛采用金属增材制造将需要解决这些问题。虽然安全是首要问题，但经济性和可持续性对于更广泛地应用该技术也至关重要。

该工作着重于定向能量沉积电弧(DED-arc)AM或线弧AM(WAAM)。第2节回顾了对WAAM钢和不锈钢基本材料特性的研究。第3节检查了结构横截面、构件和系统的行为。第4节考虑了WAAM连接的有前途的领域，包括回顾由WAAM制作的关于无处不在的lapspice和T-stub连接细节的实验，以及对更优化连接的机会的探索。事实上，优化的主题可能对增材制造在结构工程中的可行性至关重要，贯穿整篇论文，包括在第2节中利用材料各向异性的背景下，横截面的几何优化、构件和结构在第3节，连接在第4节，加固和修复在第5节。经济学和可持续性在第6节中讨论，金属增材制造在结构工程中的应用前景在第7节中介绍。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

△WAAM钢材料的断裂拉伸试样和从DIC获得的断裂处纵向应变场

△WAAM管状横截面试验的典型失效模式

△优化的波纹壳

△优化的WAAM钢悬臂结构

增材制造或3D打印是一种颠覆性技术，正在成为一种可行的建造方法。本文综述了结构工程领域金属增材制造的研究和实践进展。定向能量沉积电弧(DED-arc)AM或线弧AM(WAAM)被认为是最符合施工需要（适当的速度、规模和尺寸精度）的技术，并且有越来越多的实验数据证实其适用于承重应用。材料测试通常显示出良好的机械性能，尽管印刷参数和设备的影响、响应的可变性和缺陷的发生以及其他不确定性都需要进一步研究。对结构横截面、构件、连接以及整个系统的物理测试表明，如果通过使用未铣削试样测试确定的材料特性来考虑竣工几何形状的影响，现有设计方法可提供合理的预测观察到的结构反应。需要进一步的研究和数据来开发金属增材制造结构的设计框架和安全系数。

△桥梁载荷测试

△不同荷载条件下优化梁柱连接

△增材制造的创新连接元件示例：(a) 梁钩，(b) 管状构件的平面接头，(c) 管状型材的套管连接器

实践中最有前途的早期潜在应用被认为是连接、加固和修复以及标志性结构，所有这些都可以使用优化来利用AM提供的可用几何自由度。优化被认为是这项新技术的可行性、经济性和可持续性的关键。还需要更多的创新和想象力来充分利用可能的好处。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

总体而言，尽管金属增材制造在建筑中的更广泛应用面临着明显的挑战，但初步迹象是积极的，并且存在明显的潜在好处。结构优化、减少材料使用和浪费、提高自动化程度、加强和修复结构以及建筑材料和产品的更多再利用都预计将成为未来更可持续的建筑行业的重要组成部分，增材制造无疑将成为这一领域的重要组成部分贡献。

论文链接:

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