基于FDM技术的新型透水导流结构设计与优化

左寒松，石阿娜，金文中，柳翊，张伟，杨慧颖，闫俊晓

（洛阳理工学院）

1 引言

2014 年我国住房和城市建设部正式出台《海绵城市建设指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》，标志着海绵城市这种新型的城市雨洪管理系统的建设与改造已正式上升到国家战略层面。传统城市道路建设以硬质化路面为主，道路建设用地的雨水下渗能力近似为零。而透水铺装结构与海绵城市理念相复合，在雨水收集、水体过滤、缓排滞蓄、排放、市政道路以及绿地衔接铺设等方面有其先天的优势[1]。不同于传统铺装形式，透水铺装结构要求同时兼顾透水性及结构稳定性，成型和维护的成本和难度均较高。而近年来一种基于离散-堆积原理的先进数字化技术——增材制造技术的兴起，为复杂透水铺装结构的优化设计与直接制造提供了新途径[2]。

基于熔融沉积成型技术（FDM），针对海绵城市对地面铺装结构的需求，设计制造出一种兼顾透水导流功能的模块化单元结构，可作为室内外透水地面铺装或内嵌渗滤结构使用，同时实现路面铺装渗、滞、蓄、净、用、排等海绵功能，且便于更换维护。上述研究有望为增材制造技术在建筑领域中的实际应用提供一定的借鉴。

2 实验设备与材料

研究实验设备为Roclock-U4型FDM打印机。表1是打印成型参数范围。实验选用材料为聚乳酸（PLA），属可降解的绿色环保材料，具备良好的熔融成丝性能和化学稳定性能，且固液相变收缩率较小。

表1 打印成型参数设定

3 结构设计与优化

设计的新型透水导流结构不同于传统的线性或带状排水流道，而是“积木”型模块单元结构（见图1 a），通过拼接直接排布成道路而实现区域全覆盖。该结构由上部透水层和下部导流层两部分组成。透水层设计为密排多孔结构，可同时满足透水、过滤、承力、减重等多方面要求，下部定向导流层结构采用U形排水流道，结构简单且安全方便，同时通过灵活设计可实现模块间拼接功能。本次研究重点为上层透水结构中各结构参数的分析与优化，研究对象从整体简化为透水层模块（见图2 b）。

图1 透水导流系统模型

图2 工艺参数对FDM成型件相对误差的影响规律

图3 透水层结构特征对FDM成型件相对误差的影响规律

图4 不同透水孔径条件下的透水模块

4 工艺参数优化

图2是不同工艺参数对FDM成型件相对误差的影响规律，孔径为3 mm，孔壁厚为1 mm。如图可见，各工艺参数条件下打印件层内（XY方向）和层间（Z方向）尺寸成型精度均表现出明显的各向异性，这源于增材制造技术离散-堆积成型原理。当喷嘴温度固定为210℃，而分层厚度在0.1mm～0.3mm范围内逐渐增大时，层内尺寸误差均较低且变化幅度相对不大，而层间尺寸误差逐渐增加，说明后者受分层参数影响较大。此外，分层厚度越小，打印件表面成型质量越好，阶梯效应越不明显，但成型时间成倍增加，成形效率会大大降低。另一方面，由于透水孔径是Z方向相邻层共同构成的立体结构，与分层厚度参数也有较大关系。当分层厚度增大时，孔径相对误差现大幅度下降，后略有回升。此外，喷嘴温度直接决定挤出丝材温度，影响其在基板上的铺展以及层间的结合强度。温度过低会造成层间结合力不足，容易形成层分离失效现象。综合成型精度和成型效率，最终确定喷嘴温度和分层厚度分别是210℃和0.2 mm，此时层内特征和孔洞特征误差最小，同时Z方向误差仍维持在较低水平。

5 透水层结构参数选择

根据微流体流道行为研究，截面积相同但形状不同的各类孔型流道中圆形截面的比表面积最小，流体流动性相对更好，故新型透水导流结构上层透水孔选为圆形[3]。由图3可知，当喷嘴温度210℃，分层厚度0.2 mm，壁厚为1 mm时，随着透水孔径的不断增大，层间特征和Z方向成型误差较小且变化不大，但透水孔径的成型相对误差逐渐降低，说明孔径越小，成型出清晰的孔洞轮廓越难，如图4所示。当喷嘴温度210℃，分层厚度0.2 mm，孔径为3 mm时，随着壁厚的不断增大，层间特征、透水孔径、Z方向成型误差均变化不大，而透水孔径成型误差略高（见图5），这是因为FDM技术是借助成型孔壁特征间接成型出所需孔洞的，壁厚的改变直接影响成型孔洞的形貌。

图5 不同透水孔壁厚条件下的透水模块

图6为不同试样的孔隙率与其单位透水量的对比，试样命名为孔径-孔壁。当壁厚相同时，孔径越大，孔隙率和透水量略有增加。当孔径相同时，壁厚越厚，孔隙率和透水量均随之减小（见图7）。当壁厚相同时，孔径越大，10%形变时的压缩应力和最终压缩强度均越低。当孔径相同时，壁厚越厚，结构抗压性能越好，可见透水孔体积占模块总体积的比例越小，其力学性能越好。综合考虑之前成型质量、孔隙率、透水量和压缩强度，可选定孔径和孔壁厚度的最佳组合为孔径3 mm，孔壁厚度1 mm。该参数组合下，单个透水导流结构（长40mm×宽40mm）的雨水下渗单位时间流量为0.94 L/（m2·s），远大于参考地区降雨重现期为3a暴雨强度对应的相应道路径的雨水下渗单位时间流量为0.12L/（m2·s）。实现了道路径流雨水通过新型浅草沟的导流与沿路土壤的渗透消纳，实现道路建设土地回归开发前自然地貌的渗透功能[4]。

6 结语

面向海绵城市建设与改造需求，基于FDM技术设计一种新型透水导流模块化结构，并通过实验对其结构参数和成型工艺参数进行优化确定。主要研究内容包括：

①分析分层厚度和打印温度对模型成型质量的影响。得到当分层厚度为0.2mm，打印温度为210℃时，模型的成型质量最好。

图6 不同打印件的孔隙率与其透水量

图7 不同打印件的压缩性能

②分析透水孔参数对透水性能的影响。得到当透水孔为圆形，孔径尺寸为3 mm，孔间壁厚为1 mm时，模型的透水性能和力学性能最好，且满足降雨渗流实际要求。

③根据实验中得到的最优结构参数和成型工艺参数，实现了透水导流结构的打印成型。