3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用展望

劉文龍

身份證號碼：13022119880412661X

3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用展望

劉文龍

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3D打印技術(shù)是近年來新興的一種技術(shù)，自問世以來就得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用跨越各個領(lǐng)域。在建筑領(lǐng)域，它更是以簡捷方便的操作方式吸引了不少建筑人在這方面的研究，而在高校之中卻還沒得到相應(yīng)的關(guān)注，高校作為培養(yǎng)人才的場所，是改革創(chuàng)新的主要力量，應(yīng)該高度重視科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)作為一種新型的科技，它具備著在建筑方面的巨大潛力，并且已經(jīng)在建筑方面得到不少的研究成果。本文主要對3D打印技術(shù)在土木工程建設(shè)中所起到的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行研究和探討。

土木工程；3D打印技術(shù)；應(yīng)用

目前的3D打印技術(shù)不僅可以打印出小件的工藝品，而且還可以打印出汽車來，且能夠被廣泛的應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，據(jù)了解全球的第一座3D打印建筑有望在2014年已經(jīng)問世，因此我們相信3D打印技術(shù)將會為土木工程帶來革命性的改變。3D打印建筑技術(shù)的基本原理是利用3D打印技術(shù)建造房屋，和其他3D打印不同的是，它需要一個巨型的三維擠出機(jī)械，并且它擠出的是混凝土，通過與計算機(jī)相連接，將設(shè)計藍(lán)圖變成實(shí)物。雖然在概念上設(shè)計起來很簡單，但實(shí)際上實(shí)施起來相當(dāng)復(fù)雜，要解決的技術(shù)問題非常多。

1. 3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)也稱三維打印技術(shù)或快速成型技術(shù)，就是在普通的二維打印的基礎(chǔ)上再加一維，使其最終形成一個三維物體，它工作原理是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，即需要先在計算機(jī)上建模，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過將一層層地粘合材料打印制造三維的物體的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)這種成型的設(shè)備稱為3D打印機(jī)。成型的方法方式也多種多樣，傳統(tǒng)的有噴墨粘粉式(3DP)和熔融擠壓式(FDM)，近年來出現(xiàn)的新型打印機(jī)包括壓電噴墨式、氣動式、電動式、電流體動力噴式和混合式等，但是無論何種成型法，都是采取原料加層方法形成3D物體，這種打印實(shí)體的方式比傳統(tǒng)的技術(shù)要更加方便快捷，綠色節(jié)能。

2. 3D打印技術(shù)的發(fā)展

近年來，3D打印技術(shù)的發(fā)展得到快速的提升。自上世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的第一臺通過光固化與紙層疊加等技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型的快速成型機(jī)械，經(jīng)過近30年的發(fā)展，3D打印技術(shù)在各科技領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。主要涉及到模型設(shè)計行業(yè)、汽車、航天航空、軍事、土木工程等領(lǐng)域。但由于3D打印技術(shù)起步時間較晚，雖然現(xiàn)階段各國科技水平不斷進(jìn)步，但對3D打印技術(shù)的應(yīng)用仍屬于探索階段。就目前來說，雖然對3D打印技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，但3D打印技術(shù)在進(jìn)行數(shù)字模型成型時仍存在著一些問題有待解決。隨著不斷的試驗(yàn)，對3D打印技術(shù)的不斷摸索和3D打印機(jī)的不斷改進(jìn)，以及人們在材料科學(xué)領(lǐng)域的不斷試驗(yàn)聽得到的成功，3D打印技術(shù)將是未來人類生產(chǎn)生活中必不可少的一種技術(shù)手段。

3. 3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

3.1 3D 打印技術(shù)打印建筑物實(shí)例

如圖1、圖2就是用特殊“油墨”借助一臺大型的3D打印機(jī)所打印出來的。房子的面積不大，十來個平方，最高不過兩層，然而特別之處是我們看不到傳統(tǒng)施工方法和材料，現(xiàn)場我們看不到一磚一瓦，墻體是由一層層水泥材料堆疊而成，呈現(xiàn)出年輪蛋糕的結(jié)構(gòu)，這也就是我們3D打印技術(shù)層層打印的原理所噴繪而成的這樣一個結(jié)構(gòu)。據(jù)了解，用建筑垃圾制成的“油墨”是一種經(jīng)過特殊玻璃纖維強(qiáng)化處理的混凝土材料，其使用年限和強(qiáng)度都高于鋼筋混凝土。而且由3D打印機(jī)打印出來的空心墻不但能夠很好地減輕了建筑物的自重，還能夠填充一些保溫材料或設(shè)計墻體結(jié)構(gòu)，一次性解決墻體承重的結(jié)構(gòu)問題。相同的，無論是橋梁、簡易工房、居民住宅、劇院或者是賓館、其建筑的強(qiáng)度都符合并且高于國家建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更讓我們想不到的是，這種“油墨”擠出后很快凝固，保證了打印機(jī)的連續(xù)打印，也即是說如果我們要建一棟25層的住宅樓，只要打好地基，僅需要半個月即可完成整棟樓的建筑框架，最后安裝好門窗，水管和電線管，最快一個多月我們便可入住。

3.2 在土木工程材料中的應(yīng)用

商品混凝土的原材料將會比現(xiàn)在的種類多出許多，應(yīng)用的也將更為廣泛，例如膠凝材料，未來可能將樹脂材料、特種水泥材料，甚至是鎂質(zhì)膠凝材料作為其主要材料，此外，對于粗細(xì)的要求將會更加嚴(yán)格，以滿足3D打印的實(shí)際需求，也有可能使用破碎工藝制造出現(xiàn)在沒有的材料，并且外加劑也將會產(chǎn)生較大的改變，材料運(yùn)用的不用將在混凝土中的作用也存在著巨大的差異。為了能夠滿足3D打印需求，混凝土不僅需要在空氣中快速的凝結(jié)，而且其還應(yīng)該具備優(yōu)秀的流變性，骨料的粒徑將進(jìn)一步的縮小，粒徑也更加趨于圓形，并且由于新型外加劑的使用，使得其能夠完美的解決各層間的結(jié)合問題。

3.3 在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在土木工程建設(shè)中的應(yīng)用，主要是利用現(xiàn)代先進(jìn)的3D打印技術(shù)，即快速成型建筑結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)，它是一種以數(shù)字信息技術(shù)為基礎(chǔ)，先在計算機(jī)上建立建筑結(jié)構(gòu)的單個結(jié)構(gòu)模型或整體結(jié)構(gòu)模型，然后運(yùn)用建筑的廢棄物粉末加水泥為粘結(jié)劑，或加人其他的建筑粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件或整體建筑，在土木工程建設(shè)中運(yùn)用3D打印技術(shù)，運(yùn)用建筑廢棄物來建造我們需要建設(shè)的建筑物體，該技術(shù)將具有節(jié)約人力，節(jié)省建筑材料，縮短建筑工期，綠色環(huán)保，廢物利用、節(jié)能降耗和改善環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)同時將改變現(xiàn)有建筑技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性。

綜上所述，通過對3D打印主要技術(shù)和打印材料發(fā)展現(xiàn)狀、特點(diǎn)進(jìn)行簡要的介紹以及對其在醫(yī)療器械、航空航天領(lǐng)域已有應(yīng)用的舉例，可見3D打印對于制造業(yè)巨大的影響力，并由此引人其在土木工程領(lǐng)域可能的應(yīng)用。主要提出了3D打印在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、澆鑄模具、抗震耗能構(gòu)件、建筑施工模板、智能化施工方面可能的應(yīng)用展望。最后對于3D打印在土木工程應(yīng)用的前期預(yù)研進(jìn)行了探討，使其應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)更具有現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 陶雨濛，張云峰，陳以一，王偉，童樂為. 3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用展望[J]. 鋼結(jié)構(gòu)，2014，08：1-8.

[2] 楊宇. 3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用展望[J]. 現(xiàn)代裝飾(理論)，2014，11：217.