Termite：一款开源的Grasshopper插件，用于建筑粘土3D打印中的参数化切片 作者：Julian Jauk、Lukas Gosch、Hana Va?atko 和 Milena Stavric

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Termite: An Open-Source Grasshopper Plugin for Parametric Slicing in Architectural Clay 3D Printing Julian Jauk, Lukas Gosch, Hana Va?atko and Milena Stavric

　　摘要：在过去的十年中，粘土的3D打印在建筑领域受到了关注。然而，大多数切片软件都是为热塑性塑料设计的，其喷嘴尺寸在0.3到1.0毫米之间。使用较大喷嘴（1-30毫米）进行粘土打印时，需要对路径排列、材料流动和收缩进行精确控制——这些功能传统软件并未充分解决。本文介绍了Termite，这是一个开源软件插件，专为Rhinoceros 3D Grasshopper设计，专门用于液态沉积建模（LDM）3D打印。这项工作的创新之处在于将切片逻辑直接嵌入到参数化设计环境中，从而能够根据粘土的流变行为灵活地控制打印路径。该插件支持在统一的工作流程中设计、模拟、优化和导出机器数据。与传统切片器相比，它允许在单次打印作业中调整打印参数，控制运行速度以使路径开始更加平滑，调整路径交叉处的材料流动，并在路径末端进行挤压平整以增强附着力和精度。通过多个建筑规模案例研究和学生设计实验对该软件进行了评估。结果表明，将切片操作集成到参数化设计工作流程中，可以开发新的制造策略，并扩大粘土3D打印在建筑应用中的普及度。

1. 引言与现状
建筑领域对粘土3D打印的兴趣正在增长[1,2]。然而，这种方法仍然落后于聚合物和混凝土的3D打印[3]。现有的切片软件主要针对喷嘴尺寸为0.3至1.0毫米的热塑性塑料打印。这类软件主要针对较小的喷嘴设计，限制了其在粘土打印中的应用，因为粘土打印需要1至30毫米的喷嘴尺寸。由于喷嘴尺寸较大，因此战略性地安排和直接控制打印路径变得至关重要，以便有效考虑粘土的材料特性，包括流动行为和收缩。共享和转移自定义切片过程所需的大量时间和成本表明，3D打印粘土的工作流程主要局限于专业研究团队和专家公司。本研究旨在使高级粘土3D打印技术能够被教学机构、建筑事务所、没有研究设施的公司和设计师所使用。

粘土3D打印的主要贡献者包括艺术家、研究人员和公司。Olivier van Herpt以使用Delta打印机制作光滑、有纹理的陶瓷而闻名[4]。他的创新方法包括受环境传感器影响的打印、振动打印床和多色粘土。Jonathan Keep在2015年记录了最早的粘土3D打印方法之一[5]。他的教程涵盖了校准、粘土混合物、挤出头和软件。Piotr Wa?niowski使用模块化系统创建复杂的几何图案打印品[6]。在科学研究方面，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）专注于数字制造，Gramazio Kohler Research探索了使用粘土骨料的项目，Block Research Group则研究了包括3D打印混凝土屋顶板在内的项目[7,8,9,10]。加泰罗尼亚高级建筑研究所（IAAC）通过实验项目将粘土3D打印纳入其课程[11,12]。与提供粘土3D打印机的WASP公司合作，实现了几个大规模项目[13]。哈佛大学设计研究生院的Material Processes and Systems (MaP + S)小组对陶瓷3D打印进行了研究，探讨了各种主题，包括粘土打印的潜在应用、多材料打印技术以及管理粘土材料固有不确定性的策略[14,15,16]。与展示陶瓷的贸易展览Cevisama的合作使项目具有全球影响力[17]。WASP等公司开发了粘土3D打印机，例如Delta WASP 40100 Clay，与Mario Cucinella Architects合作建造了一座可居住的3D打印房屋[18]。Wienerberger公司以基于粘土的产品闻名，将3D打印应用于管道制造，展示了数字化对粘土组件在工业4.0时代的未来影响[19,20]。XtreeE专注于大规模混凝土3D打印，研究基于粘土的材料，并合作发表研究论文[21]。商业切片软件如Cura和PrusaSlicer需要专业知识才能用于粘土打印，并且缺乏手动打印路径定制功能[22,23]。虽然像WASP App、Clayon和Potterware这样的应用程序简化了粘土的入门级设计和G代码生成，但这些程序主要针对管状对象的参数化工作流程，缺乏手动打印路径定制功能[24,25,26]。

尽管商用打印机已经取代了许多定制模型，但由于资金和项目持续时间的原因，大学项目中高级3D打印所需的基础软件流程的共享和准备仍然有限，阻碍了行业的采用。较大的粘土公司往往缺乏软件和硬件专业知识，使得在研究之外实施数字制造变得复杂。除了物流和机械等因素外，设计和生产3D打印粘土对象所需的技术专长也是一个关键挑战，特别是与所涉及的专用软件相关。本研究旨在解决以下问题：如何设计切片软件，以支持参数化设计工作流程中建筑规模粘土3D打印的特定需求？

2. 材料与方法
本文提供了详细的文档，包括对Grasshopper每个开发组件的描述、通过用户研究对软件的评估、所得到的打印技术、结论以及未来展望。关于插件组件、安装和使用的详细信息，请参阅补充软件文档（补充文件S1 Termite 1.4 Readme）。

所有制造实验均使用市售粘土粉末（Type 208，Goerg & Schneider，Boden，德国）进行。选择这种材料是因为其低烧结含量，可以减少挤出系统内的磨损，并确保打印硬件的长期稳定运行。粘土通过将干粉与重量比为30%的水混合来制备，从而在不同实验中精确控制材料成分。从干粉状态开始可以重复调整水分含量，这是影响挤出行为的关键参数。所选混合物基于先前的实验经验，并在收缩行为、流动特性和机械性能方面进行了表征[27]。虽然本研究范围内没有进行正式的敏感性分析（见第4.1节），但使用标准化的材料成分和受控的制备方法确保了多个案例研究和制造批次之间的一致打印行为。挤出性能的变化主要通过Termite工作流程中的可调过程参数来解决，例如打印速度、挤出速率和路径组织。

2.1. 插件文档
Termite插件由21个模块化组件组成，分为五个功能类别：Main、Create、Sort、Display和Example。这些组件在Rhinoceros 3D的参数化设计环境中实现，用户可以组合这些组件，生成、修改和组织打印路径，然后再生成机器指令。模块化结构反映了粘土增材制造工作流程的典型阶段，包括几何生成、路径组织、过程控制和可视化（图1）。

图1. 插件组件的功能性和交互性的流程图。所有组件都作为开源的Grasshopper用户对象在Rhinoceros 3D（McNeel Europe S.L. C/de Roger de Flor，32, 08018 Barcelona, Spain）建模软件（7 SR20）中实现。超出Grasshopper原生功能的任务（如使用旅行商算法进行路径优化或迭代几何操作）是通过嵌入Python 3和C#脚本在Grasshopper的脚本环境中实现的。这种方法使插件无需外部依赖或额外软件库即可运行。此外，还提供了示例定义，允许用户在不安装插件组件的情况下检查生成的工具路径。该插件不是将封闭体积转换为层的传统切片应用程序，而是直接处理曲线、线和表面等几何原语。这使设计师能够明确控制单个打印路径，并实现传统热塑性塑料切片软件难以实现的实验性制造策略。

2.1.1. G代码生成和过程控制
插件的核心组件是Termite Main G-Code Generator，它将组织好的打印路径转换为机器可读的指令。该组件处理几何输入以及挤出速率、打印速度、暂停位置和可视化选项等打印参数。机器指令的生成基于一组一致的几何和过程假设。打印路径的输入几何形状定义为线或曲线，然后将其离散化为一系列目标点。这些点随后被转换为笛卡尔系统中的G代码坐标（X, Y, Z），所有值均以毫米为单位定义。生成器按照用户定义的顺序遍历这些目标点，分配相应的移动命令和挤出值。挤出宽度主要根据离散路径段的长度计算。最终挤出宽度受喷嘴直径和材料行为的影响，因此被视为经验校准的参数，而不是严格预定义的几何值。挤出速率和打印速度的校准是在制造前根据观察到的材料流动和层粘附情况进行的实验性调整，并可以在参数化工作流程中针对不同路径组进行调整。这种方法反映了粘土挤出的材料依赖性，通过迭代校准而不是固定材料模型获得可靠的结果。最终输出包括一个可打印的G代码文件以及Grasshopper中生成的工具路径的相应几何表示。

与操作体积网格的传统切片器不同，该生成器直接处理用户定义的打印路径。路径被离散化为由X、Y和Z坐标定义的目标位置，挤出值主要基于路径长度计算。额外的参数允许进行过程特定调整，包括不同路径组之间的可变打印速度、相邻路径的自动连接以及在制造过程中插入暂停命令以进行手动干预。

引入了几种辅助参数以满足粘土挤出的特定需求。这些参数包括Pre Fill、Safe Start和Safe End功能，可以提高打印路径开始和结束时的挤出可靠性，以及减少材料堆积和改善接缝质量的回抽和交叉处理策略（图2）。

2.1.2. 路径创建
Create类别包含一组用于从几何输入生成打印路径的组件。这些工具支持常见的制造策略，如基础结构、墙体生成、螺旋打印路径和基于轮廓的工具路径。这些组件不施加严格的材料约束，而是提供灵活的几何操作，可以根据不同的设计意图和实验制造方法进行调整。

一些组件生成连续的打印路径，例如螺旋化轮廓或类似楼梯的工具路径，通过最小化启动-停止序列来提高打印速度和结构稳定性。其他组件对打印路径进行受控修改，例如通过移动接缝位置或调整单个路径的起点和终点。

除了结构路径生成外，选定的组件还允许引入受控的表面图案，如之字形几何形状或吊索状特征，从而改变表面纹理；类似的方法在基于聚合物的增材制造中已被证明会影响润湿性和摩擦等性能[28]。

2.1.3. 路径组织和优化
对于基于粘土的增材制造来说，高效组织打印路径至关重要，因为不必要的移动会干扰材料流动并增加打印时间。因此，Sort类别包括一组根据空间或几何标准组织打印路径的工具。这些工具允许沿轴、曲线或距离关系对路径进行排序，或者使用旅行商方法根据移动距离进行优化。其他工具可以移除不切实际的短段或在层之间交替路径方向，以减少干燥和烧制过程中的材料应力。

2.1.4. 可视化和过程验证
Display组件支持生成工具路径的可视化和验证。这些工具使用户能够检查单个层，将先前生成的G代码文件重新构建为Rhino几何形状，并模拟打印机头沿生成工具路径的移动。这些可视化功能特别有助于检测潜在的碰撞、评估路径顺序并在打印前验证制造序列。

2.2. 通过案例研究进行评估
在开发Termite插件的过程中，进行了一系列以用户为中心的案例研究，以评估软件的可行性和实际应用性。这些研究被整合到大学设计课程中，并作为迭代测试环境，学生可以在其中将插件应用于实际的设计和制造任务。这些研究的观察结果和反馈为软件的功能性和稳定性带来了几项改进。在2020年至2025年间，[机构名称保密]进行了五项名为“数字形态与运动”和“数字制造”的研究。每项研究大约有20名参与者，包括本科生、研究生以及专业人士，总教学时间为30小时。参与者被要求使用参数化设计工具和增材制造工作流程来开发实验性的陶瓷结构或立面系统。最终的设计通过2020年生产的Delta WASP 40100粘土3D打印机（意大利伦巴第大区Massa Lombarda）制作成全尺寸原型。参与者不需要具备粘土处理或切片软件的预先知识。设计评估依据五个标准：（1）使用粘土挤出的可行性；（2）适用于基于浆料的增材制造；（3）模块化；（4）与建筑应用的相关性；（5）全尺寸实施的潜力。每个案例研究都遵循一致的工作流程，包括：（1）介绍粘土材料和增材制造工艺；（2）使用Termite插件进行参数化设计；（3）材料和机器测试；（4）打印模块的制造和评估。

研究揭示了对于不熟悉基于粘土的增材制造的用户来说存在的一些挑战。尽管许多参与者有热塑性3D打印的经验，但理解粘土特有的限制需要通过实验来获得。使用卡式胶枪进行的初步手动挤出测试帮助学生观察到了关键的材料行为，包括较慢的硬化速度、挤出几何形状对稳定性的影响以及优化打印路径的重要性。随着设计复杂性的增加，高效组织打印路径变得至关重要。早期的研究依赖于手动排列的路径或连续挤出策略，这对于复杂几何形状来说效率较低。因此，软件中集成了排序方法，能够根据空间轴、几何接近度、路径长度或移动距离使用旅行商优化算法自动排序路径。在干燥和烧制过程中材料的行为揭示了额外的限制。不均匀的收缩偶尔会导致内部应力，特别是在螺旋打印图案中。这些效应通过交替路径方向或引入交叉路径来平衡内部张力得到缓解。进一步的观察还关注了单个打印路径开始和结束时的挤出可靠性。起点经常出现材料沉积不足的问题，这可能会降低层与层之间的粘附力。为了解决这个问题，引入了“安全开始”参数，允许在达到正常打印速度之前进行一段短时间的低速初始挤出。此外，“预填充”参数确保了挤出开始时的材料流动充足，特别是在使用较大喷嘴直径（>4毫米）时。终点容易脱落或变形，通过“安全结束”功能逐渐降低挤出速度和压力来防止这种情况。

在最后一个案例研究中，制造了36个全尺寸的建筑立面元素（每个24厘米×24厘米）。这36个立面元素的具体几何形状不是受控实验设置的一部分，而是来自参与者的个别设计方法。这项研究的目的是测试该工作流程在多种设计解决方案中的适用性，而不是评估一组固定的几何图案。这种方法反映了研究的探索性和设计驱动性质。打印完成后，组件在1240°C下烧制，并安装在户外以评估其在环境条件下的耐久性。在六个月的时间内，它们暴露在-5.9°C到24.2°C的温度范围内（图3）。图3显示了对36个3D打印立面元素在户外环境中的耐久性调查。为了评估打印元件在环境暴露下的耐久性，所有36个立面面板在制造后立即进行了特写拍摄，并在户外安装六个月后再次拍摄。评估基于这些图像的比较分析，并结合了现场检查。在所有样本中，没有观察到可见的裂缝或结构故障，也没有因冻融循环造成的损坏。此外，也没有发现由于长时间暴露在阳光下而导致的显著颜色变化。在一些区域观察到轻微的表面变化，粗糙的陶瓷表面出现了小黑点（<1毫米）（图4）。这些沉积物无法通过简单清洁去除，推测是由于环境暴露造成的。总体而言，结果表明材料在测试条件下的性能稳定。需要注意的是，评估基于定性视觉评估而非定量测量，因此发现仅供参考而非统计得出。

3. 结果
结果从制造可行性、挤出过程中的材料稳定性以及所提出工作流程对打印路径行为的控制程度等方面进行了评估。以下技术展示了不同的路径设计策略如何影响基于粘土的增材制造中的挤出连续性、结构性能和几何表现力。使用插件进行打印路径设计的可能性通过十二种不同的技术得到了展示，这些技术采用了前文描述的硬件设置。所呈现的技术并非来自预定义的分类系统，而是通过设计和制造过程逐步发展而来的。打印结果在以下段落中呈现，并附有打印过程中和之后的图像摘要。

在打印过程中，可以根据所打印基材的设计进行区分。可能的应用包括：（1）在水平打印床或先前打印的湿粘土层上进行的标准打印（图5(1)）；（2）设计打印路径以便直接在自由形式的模板上打印，而不是在平面打印床上（图5(2)）；（3）在不连续的支撑结构上打印，以帮助桥接挤出（图5(3)）；（4）使用先前打印并干燥的物体作为进一步打印的支撑（图5(4)）。图5. 从左到右的打印技术：（1）标准；（2）堆叠；（3）桥接；（4）湿在干上。此外，还可以根据打印路径的设计进行区分：（5）设计打印路径以实现水平层内的连续挤出，从而获得更均匀的材料流动并增强稳定性，避免与启动和停止动作相关的潜在弱点（图6(5)）；（6）沿着垂直螺旋打印路径创建管状物体，连接多个水平层以实现无缝表面效果（图6(6)）；（7）在水平层内交叉打印路径以增强连接的强度（图6(7)）；（8）在无支撑的情况下在空中打印，以艺术性地利用挤出材料的重量和有意的不连续性，形成吊索状的连接（图6(8)）。图6. 从左到右的打印技术：（5）单次冲击；（6）螺旋化；（7）交叉；（8）空中打印。最后，还可以采用更多实验性方法，例如：（9）谨慎使用热枪以增加悬垂部分并减少打印层的晃动（图7(9)）；（10）在原地挤出材料，仅进行最小程度的移动以增加挤出体积（图7(10)）；（11）利用喷嘴平滑湿粘土层而不进行挤出（图7(11)）；（12）交叉层以抵消材料的一侧属性（图7(12)）。图7. 从左到右的打印技术：（9）热枪；（10）膨胀；（11）熨平；（12）编织。所有技术都成功执行，产生了与其预期设计一致的几何形状，同时显示出根据所选工具路径策略在材料行为、稳定性和表面质量上的明显差异。在所有研究的技术中，可以观察到工具路径设计与材料行为之间的明确关系。连续挤出策略，如单次冲击和螺旋化路径，导致了更稳定的材料沉积，并减少了与启动-停止序列相关的缺陷发生率。相比之下，不连续或交叉路径增强了结构互锁性，但需要仔细调整挤出参数以避免交叉点的材料堆积。

涉及无支撑或非平面挤出的技术，如空中打印或桥接，展示了粘土作为材料的表达潜力，但对挤出速率和环境条件的变化更为敏感。同样，如热辅助打印或层熨平等工艺改进方法提高了表面质量和几何控制，但引入了对操作员输入和时间的额外依赖。总体而言，结果表明，在参数化环境中集成工具路径设计允许用户更有效地平衡制造限制和设计意图。

4. 讨论与结论
这项研究的贡献可以总结为三个方面：开发了一个开源切片框架，用于集成到Grasshopper中的粘土打印；实施了特定于粘土的挤出控制策略（安全开始、安全结束、交叉挤出控制）；通过建筑规模的案例研究和教育应用验证了工作流程。Termite是一款专为粘土3D打印设计的软件插件，解决了这项技术的独特挑战，如大喷嘴尺寸和精确路径控制。作为开源插件集成到Rhinoceros 3D中，Termite简化了粘土打印过程，使其对公司、艺术家和教育机构更加友好。其功能分为12种不同的粘土打印技术，通过将这些技术集成到路径创建中，实现了更高的稳定性、表面质量或特定于粘土的美学效果。Termite提供了一个用户友好的平台，用于基于浆料的3D打印，使用户能够使用Rhinoceros 3D、Grasshopper或Termite组件设计和生成打印路径。它生成可用于执行的G代码文件，并提供打印路径和移动路径的设计变更的实时可视化。与类似的Grasshopper插件相比，Termite提供了广泛的路径创建、排序、模拟和机器数据导出工具集[29,30]。其高级功能包括通过Rhinoceros 3D层分配可变参数（如厚度和速度）、安全开始以确保粘附可靠性，以及安全结束以防止路径结束时脱落。它还允许自定义移动路径以避开障碍物，嵌套算法以减少移动路径，以及使用打印模拟进行时间和材料估算。Termite的早期版本在课程和研讨会中进行了测试，作为用户研究以完善其功能。案例研究使学生能够协作设计并使用3D打印陶瓷元件制作出1:1比例的实验性模块系统。使用参数化设计工具和增材制造过程，没有材料或软件知识的参与者成功创建了陶瓷结构和立面系统。该插件支持实验设置和传统切片软件无法实现的非标准打印路径，扩展了3轴打印机的潜力。例如，非平面路径允许更大的悬垂部分并加固了由水平层造成的薄弱点[31]。这些进步预计将扩大粘土3D打印在建筑和其他学科中的应用，促进创新方法的发展。此外，Termite还为研究项目奠定了基础，如纤维增强打印、多材料打印和基于菌丝的粘土复合材料的3D打印[32,33,34]。

4.1. 局限性与未来研究
尽管Termite插件展示了其能力，但仍需承认本研究的几个局限性。首先，评估主要基于在学术环境中进行的定性案例研究。虽然这些研究提供了关于可用性和设计潜力的宝贵见解，但它们没有包括与现有切片软件在打印时间、材料效率或几何精度等性能指标方面的系统定量基准测试。因此，未来的工作应包括受控的比较研究，以更严格地评估所提出工作流程的技术性能。其次，材料行为是通过工具路径设计间接解决的，而不是通过集成模拟模型解决的。尽管安全开始、安全结束和路径组织等策略缓解了粘土挤出的常见问题，但插件尚未结合预测收缩、变形或结构性能的模型。集成此类基于材料的模拟工具是未来研究的重要方向。就未来发展而言，将工作流程扩展到6轴机器人制造系统具有巨大潜力。这将实现非平面工具路径、可变挤出方向和更高的几何复杂性。此外，集成多材料打印、自适应过程控制和实时反馈系统可以进一步扩展该方法的适用性。未来的工作还可以包括使用打印时间、材料消耗、粘附质量、缺陷率或尺寸精度等指标，系统地评估Termite与其他工具的比较，补充其已证明的可行性和可用性。潜在的应用范围不仅限于建筑原型设计，还包括定制的建筑构件、立面系统以及陶瓷复合材料的研究。通过降低设计与制造之间的壁垒，所提出的方法也有助于在学术和工业领域更广泛地采用基于黏土的增材制造技术。补充材料：以下支持信息可在此下载：https://www.mdpi.com/article/10.3390/jmmp10040128/s1，补充文件S1：Termite 1.4 Readme.pdf。