《Developments in the Built Environment》：The nesting brick an AM ceramics case study
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陶瓷砖的生产是一种高产出的工艺，每小时可生产数百个单位。该通用工艺在几何形状方面受到限制。复杂形状的陶瓷件通常需要大量的生产投入，例如手工劳动，从而推高了成本。增材制造（AM）方法论有望缓解定制零件及小批量生产的难度。Robocasting被认为适用于3D打印
陶瓷砖的生产是一种高产出的工艺，每小时可生产数百个单位。该通用工艺在几何形状方面受到限制。复杂形状的陶瓷件通常需要大量的生产投入，例如手工劳动，从而推高了成本。增材制造（AM）方法论有望缓解定制零件及小批量生产的难度。Robocasting被认为适用于3D打印建筑应用中的大型陶瓷构件。本案例研究通过复现一个市场验证的定制构件，探讨了Robocasting在建筑应用中的可用性。除了提出创建该构件的数字化驱动工作流外，重点在于使用一种能良好融入常见砖系统的粘土混合物。所开展的研究证明，Robocasting是生产定制陶瓷建筑构件现有方法的可行替代方案。通过转化手工流程，推动了建筑行业的进一步自动化。
研究背景与动机
陶瓷构件自公元前五千年起便是建筑行业的重要组成部分，涵盖结构砌体、屋面瓦、排水管及建筑装饰。传统陶瓷砖依靠挤出成型等高产工艺，几何自由度受限；复杂异形件长期依赖工匠手工从大块粘土中雕琢组装，单位成本高、技艺面临失传。增材制造（AM，Additive Manufacturing）虽已出现四十年，但在建筑领域推进缓慢，其中混凝土打印已相对成熟，而陶瓷构件的AM转化仍缺应用验证。德国Hagemeister GmbH市售的Nesting-Brick（巢居砖，含NK1–NK6）是为濒危鸟类与蝙蝠提供替代栖息地的定制陶砖，目前完全手作，需求远超产能。研究人员因此选取已商业化的NK3（山雀）、NK5（蝙蝠）、NK6（燕子）三类几何，借助前期Robocasting（机器人浇筑/直写成型）研究成果，开展“手工转数字化”的可行性案例研究，论文发表于《Developments in the Built Environment》。
主要技术方法
研究人员采用Hagemeister提供的市售“Bergheim”黄烧粘土（XRF显示SiO2 75.56%、Al2O3 18.63%，粒径≤1 mm），按重量加20%水陈腐48 h，Pfefferkorn塑性因子5；使用VormVrij Lutum 5粘土3D打印机，7 mm或7.33 mm喷嘴、层高3.5 mm，Rhino+PrusaSlicer生成G-code；先直接按厂商CAD放大110%打印，再基于前期假说做几何优化（改infill为45°矩形网格、加临时stiffener、烤箱纸作支撑界面）。干燥2周（偶翻转防翘曲），厂家曲线升温至1180℃保温30 min烧结；表面处理比对海绵擦、刷浆、打磨三种策略，用Grasshopper分析百万像素灰度直方图；最终砌筑1.20×0.80 m示范墙集成三类优化砖。
研究结果
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Introduction
介绍陶瓷历史价值与AM在建筑中迟缓但多元的材料探索，明确以市售Nesting-Brick为概念验证载体，将前期Robocasting研究转入应用端。
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Material-study
3.1 Mixture：Bergheim粘土加水20%可达打印塑性；3.2 Shrinking：数字模型至烧结总收缩约10%（干缩6%、烧缩4.5%），符合klinker砖±公差；3.3 Overhang and bridging：7 mm喷嘴下最大悬垂角30°，几乎无跨桥能力；3.4 Surface-treatment：海绵擦、刷涂、打磨三者灰度分布均接近工业砖参照，可接受。
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Direct printing
直接打印NK3（4:25 h）、NK5（9:08 h）、NK6（3:45 h）原型：支撑拆除伤表面；NK5细薄件烧结开裂变形；NK6因层间微裂+内部困气高温爆裂。证明“直接按按钮”不可行。
- 4.
Production Optimization
换7.33 mm喷嘴、层高3.5 mm，外壁等效绿态22 mm；infill代垂直孔；烤箱纸隔离支撑；NK5e+f底腔加10.5 mm高网格stiffener后角磨机移除；NK3打磨保棱、NK5海绵擦留粗糙着陆面、NK6刷浆覆难达区。耗时：NK3降至4:11 h，NK5降至7:30 h（省17.5%），NK6降至3:13 h（省14%）。平均省时14.76%，材料反而微增-3.4%。
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Demonstrator
砌筑含三类优化砖的示范墙；NK6由原3×1DF改为152 mm高适配1NF砌法并加延伸段NK6c；指出打印砖几何精度不足（NK6前缘下挠、NK5e+f杯状翘曲），但整体可融入砌体。
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Conclusion
经打印性重设计平均省时15%；表面近观有别于工业砖但1–4 m视距可接受；必须避免困气（NK6爆裂教训），薄壁件加临时stiffener抗烧裂；NK5a/e/f等低复杂度件AM不如挤出高效（工业挤出3 s/块，NK5_a优化后仍48 min）；Robocasting能把手工程序转为数字化驱动，适合砖厂小批定制，推动建筑自动化与陶砖 ornament 复兴。
讨论与结论翻译
讨论指出，几何重设计主要带来时间收益而非材料节约；表面处理策略易迁移但悬垂支撑在本案例矩形几何中施展空间有限，且前期支撑研究未预见到烧结变形，本研究以stiffener补救属新增知识。结论原文译述：通过面向可打印性的几何重构，研究人员在节省时间上取得良好结果，材料消耗平均-3%无节约，平均省时约15%（若用原计划11 mm喷嘴可更显著）；打印后处理表面虽不及工业砖光滑，但在常规观看距离可接受；应避免打印件内陷气，infill须至少单侧通风；薄壁易畸变开裂，临时stiffener有助烧结；NK5a/e/f类低复杂几何用常规挤出更经济，AM打印NK5_a比工业挤出慢960倍；Robocasting适合将手工定制陶砖转化为数字化流程，该方法可嵌入砖厂生产链，促进建筑行业进一步自动化，并使复杂陶瓷构件以合理价格供应，或复兴砖建筑装饰与新功能应用。
