3D打印是一項(xiàng)對(duì)建筑行業(yè)具有巨大潛力的技術(shù)。雖然人們非常關(guān)注打印整體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，但打印粘土磚等單個(gè)建筑元素的想法是一個(gè)新的研究領(lǐng)域。
幾個(gè)世紀(jì)以來，人類以基本相同的方式建造結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的施工技術(shù)是勞動(dòng)密集型和資源密集型的，耗時(shí)較長，并且會(huì)造成溫室氣體排放和浪費(fèi)。近幾十年來，建筑業(yè)面臨的可持續(xù)性問題促使人們需要尋找替代建筑技術(shù)。
作為第四次工業(yè)革命的一部分，目前正在開發(fā)的所有技術(shù)中，增材制造（3D 打印）已為建筑行業(yè)顯示出巨大的前景。3D 打印成本低，在可持續(xù)性和根據(jù)特定應(yīng)用定制打印部件的能力方面具有優(yōu)勢。
近年來，已經(jīng)開展了幾個(gè)項(xiàng)目來探索 3D 打印在現(xiàn)代建筑行業(yè)中的可行性，目前世界各地都在開發(fā)建筑。主要重點(diǎn)是用可持續(xù)的可打印材料（例如混凝土）完全打印建筑物。在德克薩斯州，世界上第一個(gè) 3D 打印社區(qū)目前正在開發(fā)中。
最近，已經(jīng)探索了用可持續(xù)的 3D 打印粘土生產(chǎn)小部件的潛力。公司和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)調(diào)查了這些材料在建筑領(lǐng)域的使用。高級(jí)建筑研究所通過他們的Terra Performa和Digital Abode項(xiàng)目調(diào)查了在建造建筑構(gòu)件中使用生土的情況。
3D 打印用于預(yù)制小部件的其他近期研究應(yīng)用可分為三類。這些是用于覆層和遮陽板、非結(jié)構(gòu)墻和分隔磚以及非結(jié)構(gòu)磚拱頂?shù)慕ㄖM件。加州大學(xué)伯克利分校等機(jī)構(gòu)已參與該領(lǐng)域的研究。在非結(jié)構(gòu)和分割磚設(shè)計(jì)的情況下，研究重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的外部幾何形狀以生產(chǎn)具有多功能行為的組件。
雖然越來越多的研究關(guān)注于探索外部形狀自由度，但很少有關(guān)于 3D 打印具有不同內(nèi)部配置的粘土組件的研究。已經(jīng)對(duì)考慮不同簡單內(nèi)部幾何形狀的打印組件（例如磚）的能量和機(jī)械性能進(jìn)行了初步調(diào)查。
3D 打印磚很有前景，因?yàn)樗軌騽?chuàng)建具有不同形狀和大小的氣穴的結(jié)構(gòu)并將它們嵌入墻壁中。研究已經(jīng)設(shè)計(jì)、打印和評(píng)估了僅具有規(guī)則內(nèi)部配置的結(jié)構(gòu)。難以打印的復(fù)雜形狀在很大程度上仍未開發(fā)。在當(dāng)前的文獻(xiàn)中，缺少探索復(fù)雜內(nèi)部配置設(shè)計(jì)和可印刷性限制的詳盡研究。
發(fā)表在Sustainability 上的論文探索了具有復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀的新型 3D 打印粘土磚的開發(fā)。作者已經(jīng)提出了這些擠壓印刷建筑組件的概念、設(shè)計(jì)和原型設(shè)計(jì)。論文中提出的方法克服了當(dāng)前 3D 打印的局限性，超越了簡單的內(nèi)部幾何形狀。
作者生產(chǎn)了具有經(jīng)典矩形磚形狀的組件，并從眾所周知的周期性最小曲面的起點(diǎn)開發(fā)了內(nèi)部幾何形狀。周期性最小表面局部最小化其面積。幾何形狀的選擇基于其充分記錄的機(jī)械性能和有效的能量吸收。作者通過考慮不同的類型和配置確定了最有效的內(nèi)部磚形狀。
使用有限元方法模擬充分研究了所選幾何形狀與粘土材料的可印刷性。進(jìn)行了大量的印刷測試來驗(yàn)證這些模擬。此外，還研究了最佳打印配置。因此，達(dá)到了印刷磚的有效實(shí)現(xiàn)。
該研究的新穎之處在于三個(gè)方面：一種基于四個(gè)階段的新方法，一種可以 3D 打印并利用最小內(nèi)表面的復(fù)雜磚結(jié)構(gòu)的新穎概念設(shè)計(jì)，以及對(duì)主要打印錯(cuò)誤和如何克服的討論任何缺點(diǎn)。
這篇發(fā)表在Sustainability上的論文為未來在粘土材料中 3D 打印可持續(xù)、高性能組件領(lǐng)域的研究提供了重要的知識(shí)基礎(chǔ)。作者表示，未來的研究將調(diào)查 3D 打印磚的熱性能和結(jié)構(gòu)性能。此外，進(jìn)一步的研究將探索修改外部磚殼，以增強(qiáng) 3D 磚打印和自動(dòng)機(jī)器人墻體建造的結(jié)合。
