《Journal of Renewable Materials》：Behavior of Sandwich Glued Laminated Bamboo Structures with a Core Formed by Bioplastic Fiber Using 3D Printing Technology
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本研究针对传统夹层结构芯层材料性能与成本难以兼顾的问题，通过3D打印技术制备了以PLA+为芯层、竹层板为面板的夹层结构。研究结果表明，单向0°打印的PLA+材料具有最优的强度-成本比；在结构层面，蜂窝芯层（SW-HC）的弯曲强度比蜂窝晶格芯层（SW-HCLT）高出88.27%，且通过有限元分析发现，减小竹层板厚度、增加芯层深度可显著提升结构的抗弯性能。该研究为开发高性能、低成本的绿色建筑结构提供了新的设计思路。
在追求绿色建筑与可持续发展的今天，如何将可再生材料与先进制造技术相结合，创造出既环保又高性能的结构材料，是工程领域的一大挑战。竹子作为一种生长迅速、可再生的天然材料，以其高强重比和良好的力学性能备受关注。然而，天然竹材尺寸不规则、性能变异性大，限制了其直接的结构应用。为此，研究人员开发了胶合竹（Glued Laminated Bamboo, Glubam），通过将竹片胶合层压，形成尺寸稳定、性能均一的工程材料。
与此同时，3D打印技术，特别是熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM），为建筑构件的定制化制造提供了前所未有的灵活性。其中，聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）作为一种源自玉米、甘蔗等可再生资源的生物基塑料，因其可生物降解、加工性能好而成为3D打印的热门材料。将3D打印的PLA芯层与竹层板结合，有望构建出轻质高强、设计自由度高且环境友好的新型夹层结构。
然而，这种结合面临几个关键问题：首先，3D打印材料的力学性能受打印方向（如0°或45/135°）和添加剂（如碳酸钙、碳纤维、玻璃纤维）的显著影响，如何选择最优的材料组合？其次，芯层的几何构型（如蜂窝或蜂窝晶格）如何影响夹层结构的整体抗弯性能？最后，如何通过优化设计参数（如芯层深度、面板厚度）来最大化结构的力学效率？为了回答这些问题，Nattawat Mahasuwanchai等研究人员开展了一项系统研究，旨在揭示3D打印PLA芯层与竹层板复合夹层结构的力学行为，并为其优化设计提供理论依据。
主要技术方法
本研究采用实验与数值模拟相结合的方法。首先，通过拉伸和压缩试验，系统评估了不同打印方向（0°和45/135°）以及不同添加剂（PLA+、PLA-CF、PLA-GF）对3D打印PLA材料力学性能的影响，并基于强度-成本比筛选出最优芯层材料。其次，利用选定的材料，通过3D打印技术制备了两种不同几何构型的芯层（蜂窝HC和蜂窝晶格HCLT），并与竹层板（Glubam）通过环氧树脂胶合，制成夹层梁试件。通过四点弯曲试验，测试了其抗弯性能。最后，建立了有限元模型（Finite Element Model, FEM），对试验结果进行验证，并开展了参数化研究，分析了芯层尺寸、面板厚度、芯层深度等参数对结构性能的影响。
研究结果
4.1. 3D打印PLA的拉伸与压缩性能
4.1.1. 不同纤维取向的影响
研究首先考察了纤维打印方向对材料性能的影响。结果表明，与双向45/135°打印相比，单向0°打印的试件在拉伸和压缩强度上分别高出21.83%和14.69%。在拉伸试验中，0°试件表现出脆性断裂，而45/135°试件则表现出更渐进的破坏过程。压缩试验中，45/135°试件在达到极限荷载后表现出延性行为，而0°试件则发生突然破坏。这些结果证实了纤维方向与荷载方向一致时，材料能发挥出最佳的力学性能。
4.1.2. 不同添加剂对生物塑料的影响
研究人员比较了三种PLA基复合材料：PLA+（含碳酸钙）、PLA-CF（含碳纤维）和PLA-GF（含玻璃纤维）。结果显示，PLA-CF在拉伸和压缩强度上均表现最佳，但其成本也最高。通过计算强度-成本比发现，PLA+在拉伸和压缩性能上均提供了最高的性价比。因此，尽管PLA-CF的绝对强度最高，但考虑到经济性，研究最终选择PLA+作为后续夹层结构芯层的制造材料。
4.2. 夹层结构的抗弯性能
4.2.1. 抗弯性能对比
通过四点弯曲试验，研究人员比较了两种夹层结构：SW-HC（蜂窝芯层）和SW-HCLT（蜂窝晶格芯层）。结果表明，SW-HC试件的抗弯强度（MOR）和弹性模量（MOE）均显著高于SW-HCLT试件，分别高出88.27%和147.11%。此外，SW-HC试件的强度-重量比也高出60.00%。这表明，在承受弯曲荷载时，传统的蜂窝芯层结构比蜂窝晶格结构具有更高的结构效率。
4.2.2. 破坏模式
两种夹层结构的破坏均表现为芯层的水平剪切破坏，且未观察到芯层与竹层板之间的脱胶现象，证明了环氧树脂胶粘剂提供了优异的粘结性能。
4.3. 有限元模型
4.3.1. 有限元模型验证
研究人员利用ABAQUS软件建立了有限元模型，模拟了夹层梁在四点弯曲下的力学行为。通过网格敏感性分析确定了合适的网格尺寸。模拟结果与试验数据吻合良好，SW-HC和SW-HCLT试件的抗弯强度模拟值与试验值的差异分别为4.63%和7.13%，验证了模型的准确性。
4.3.2. 参数化研究
利用验证后的有限元模型，研究人员开展了一系列参数化研究，以探究不同几何参数对结构性能的影响：
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芯层单元尺度（Case 1）：对于SW-HC模型，改变蜂窝单元的尺度对结构抗弯性能影响不大。而对于SW-HCLT模型，减小单元尺度（即增加芯层密度）可以显著提高结构的极限荷载和刚度。
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芯层单元数量（Case 2）：对于SW-HC模型，改变蜂窝单元的数量对性能影响不显著。而对于SW-HCLT模型，减少单元数量（同时增加单元壁厚）可以显著提高结构的极限荷载和刚度。
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截面深度（Case 3）：研究考察了竹层板厚度和芯层深度的变化。结果表明，增加夹层结构的总深度是提高抗弯性能最有效的方式。具体而言，在保持总深度不变的情况下，减小竹层板厚度、增加芯层深度，比增加竹层板厚度、减小芯层深度能带来更显著的性能提升。此外，增加竹层板厚度虽然也能提高性能，但存在收益递减效应。
结论与讨论
本研究系统探讨了3D打印PLA+芯层与竹层板复合夹层结构的力学行为。研究得出以下主要结论：
- 1.
材料选择：单向0°打印的PLA+材料在拉伸和压缩性能上均优于45/135°打印，且其强度-成本比最高，是制造夹层结构芯层的理想选择。
- 2.
结构性能：蜂窝芯层（SW-HC）夹层结构在抗弯强度、刚度和强度-重量比上均显著优于蜂窝晶格芯层（SW-HCLT）结构。
- 3.
设计优化：有限元参数化研究表明，通过优化几何参数可以显著提升结构性能。对于SW-HCLT结构，减小芯层单元尺度或减少单元数量（增加壁厚）是有效的优化策略。对于所有夹层结构，增加总截面深度是提高抗弯性能最有效的手段，其中，通过增加芯层深度来增加总深度，比单纯增加面板厚度更为高效。
这项研究的意义在于，它成功地将3D打印技术的设计自由度与竹材的可持续性相结合，为开发新型绿色建筑结构提供了科学依据。研究不仅验证了这种复合结构的可行性，还通过参数化分析为工程师提供了优化设计的指导原则。未来，研究人员可以进一步探索这种结构在长期荷载（如蠕变）下的性能，以及其在真实环境条件下的耐久性，以推动其在建筑实践中的广泛应用。
