3D打印在建筑領域的應用

● 陳曉明

3D打印即增材制造技術，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，通常是采用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)。

3D打印起源于19世紀末的美國，由美國研究的照相雕塑和地貌成型技術開創(chuàng)了3D打印核心思想。1984年，查爾斯胡爾將光學技術轉變?yōu)榭焖俪尚皖I域，并于1986年成立了世界上第一家生產3D打印設備的公司3D Systems，自此，美國開始涌現(xiàn)出多家3D打印公司。隨后的30年里，3D打印技術不斷創(chuàng)新，應用領域持續(xù)拓展，3D打印產業(yè)逐漸成熟。

目前3D打印根據(jù)應用端主要分為民用，商用，工業(yè)級等，常規(guī)所使用的桌面3D打印機為3D打印技術初級階段和入門階段，能夠很直觀地闡述3D打印技術的工藝原理。

圖1 查爾斯胡爾3D打印技術之父

圖2 桌面民用級3D打印

而工業(yè)級3D打印的應用由于其受制于技術條件、成本價格等因素，主要集中在汽車制造、航空航天、醫(yī)療等高附加值的高新技術行業(yè)，在其它傳統(tǒng)行業(yè)的應用方向及深度還有待挖掘，潛力巨大。

圖3 工業(yè)級3D打印

1 打印材料

由于超大尺度增材制造技術是全新的高分子加工方式，材料的加工過程和熱歷史既不同于FFF技術也不同于傳統(tǒng)塑料加工工藝（例如注塑，擠出等），材料主要聚焦的內容為材料的耐候性（抗老化性），幾何物理性能（拉伸、彈性、抗剪切模量以及線膨脹系數(shù)）、打印豎直方向力學性能（即層間結合力）以及熱穩(wěn)定性和熱歷史過程等。

圖4 高分子復合材料分子式

常規(guī)桌面民用級別的3D打印主要使用的為1.75mm直徑或2.85mm直接的線材，相較常規(guī)原材料較貴，但適配打印設備。工業(yè)級3D打印材料主要采用的為3mm工業(yè)粒料復合高含量纖維料以及輔助劑，在降低成本的同時，保證了材料自身的強度、剛度以及其它特殊需求。

圖5 3D打印用線材與3mm顆粒料

2 打印設備

超大尺度高分子復合材料增材制造由于工藝及應用場景的特殊對設備系統(tǒng)有著特殊的要求：超大工作范圍內的高速高精度、高流速擠出系統(tǒng)、高穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、高集成度操作系統(tǒng)、增減材一體化控制系統(tǒng)等。

圖6 龍門式機床復合機械臂3D打印平臺

整套打印系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

1）高速高精度龍門式機床

為了滿足在大跨度，大范圍內的加工制造的高速高精度，整套系統(tǒng)硬件上采用高剛度設計，機械傳動結構輔以齒輪齒條傳動的形式，配合耦合同步伺服軸控制以及雙電機反向消隙技術，實現(xiàn)了大尺度下的高速高精度調校，X軸直線度達到0.01ppm，Y軸直線度為0.01ppm。

圖7 高速高精龍門式機床

2）高流速高穩(wěn)定性擠出系統(tǒng)

基于打印材料為3mm顆粒料，擠出系統(tǒng)主體結構采用的立式單螺桿擠出設備，其上搭載多段式溫度閉環(huán)PID控制系統(tǒng)，使得各段溫差控制精度在±0.5℃以內。同時因為其持續(xù)高溫作業(yè)的特性，整套系統(tǒng)的硬件都經過耐高溫熱處理輔以高溫潤滑油的方式，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 自主研發(fā)迭代升級高流速擠出系統(tǒng)

增材制造熔融沉積成型的主要缺陷之一就是材料層間的結合力較差，這大大制約了打印產品的應用范圍，限制了它的推廣普及。通過研發(fā)了一種工程塑料高溫擠出后對材料的流態(tài)控制系統(tǒng)，達到了增加打印構建層間強度，穩(wěn)定打印構件各處材料密度的統(tǒng)一性，解決了大型打印構件整體強度低的問題，使得采用熔融沉積成型工藝的構件Z方向層間粘結力提升30%以上。同時在外觀尺寸上，穩(wěn)定了打印線條尺寸，通過對擠出熔體進行動態(tài)夯實處理，打印的熔體線條均能達到預先設計的線寬與層高，保持了美觀性。

最后為了鑒定打印構件質量的好壞，結合材料科學及軟件工程學科，從物理及化學層面對打印構件的質量進行橫向評定，通過掃描模型與原設計模型的尺寸誤差以及打印構件過程中熱歷史數(shù)據(jù)的橫向比對，判斷打印構件的質量是否滿足要求。

圖9 點云掃描合模碰撞檢測，色階圖量化誤差

3 應用工程案例

1.上海桃浦智創(chuàng)城中央綠地“時空”3D打印橋

桃浦“時空橋”長15.25m寬4m高1.2m，采用了總體技術路線如下：橋梁外部整體橋形熔融沉積一次成型的打印方案，承重結構采用箱型鋼梁，打印的上部橋型通過一頭機械連接固定另一頭自由釋放內應力的方式在車間內進行可靠連接，現(xiàn)場利用吊車一次吊裝就位。

橋梁外部整體橋形構件打印工藝如下：橋梁整體外部外形采用空間多維度雙曲面數(shù)字化設計，通過專用軟件進行力學搭載模擬仿真以及拓撲優(yōu)化仿真設計，再借助專用切片軟件，結合各種路徑及填充算法，生成數(shù)控系統(tǒng)可識別的g代碼即打印軌跡，工藝流如下：

1）使用數(shù)字建模軟件生成可后處理的高精度打印模型

2）基于大尺度3D打印的環(huán)形填充運動軌跡（剖面）

3）對路徑模型進行受力分析并指導設計路徑（剖面）

4）結合結構力學與數(shù)字設計生成打印路徑

5）切片路徑仿真

6）打印測試

最終桃浦橋歷時45天完成打印工作，橋外部造型件及現(xiàn)場實景圖如圖所示：

圖10 桃浦“時空橋”打印完成圖及實景圖

2.成都龍泉驛區(qū)“流云”3D打印橋

3D打印景觀橋“流云橋”位于成都驛馬河公園內，橋全長21.58米、寬8米、高2.68米，整體遵循城市規(guī)劃設計橋梁扶手及外肌理，一面橋梁扶手一個峰兩邊平緩寓意”一山連兩翼”；另一面橋梁扶手兩個峰一個谷，寓意“兩山夾一城”，如圖所示：

成都橋設計理念“一山連兩翼，兩山夾一城”

成都橋采用的總體技術路線與泉州橋基本，在打印及建造過程中引入了三大新技術：

1）全過程溫度場監(jiān)控

為了確保打印質量，采用了橫向溫度場熱歷史數(shù)據(jù)比對的方式，對每一段成都橋打印段進行溫度數(shù)據(jù)記錄以及參照經驗參數(shù)比對，確保了打印構件較小的形變以及最佳的打印質量，如圖所示：

圖11 溫度場熱歷史全過程監(jiān)控

2）激光點云三維掃描

成都橋每段構件中均采用了增減材一體化工藝，為了確保加工時的精度，需要有一個粗幾何尺寸數(shù)據(jù)進行指導，采用了激光點云三維掃描的方式，通過標定靶子建立空間坐標系的方式掃描出構件的外尺寸點云文件，再放入專業(yè)仿真檢測軟件中進行點云模型合模，原設計模型進行合模碰撞檢測，如圖所示出具色階圖量化誤差，如圖所示：

圖12 激光點云掃描模型合模，色階圖量化誤差

3）增減材一體化技術

為了確保現(xiàn)場拼接的精度，簡化工序，成都橋的每一段均采用增減材一體化工藝，控制打印的變形量，保障了每一段的精度，如圖所示：

圖13 五軸CNC加工量與增材制造余量比對

圖14 分段五軸CNC斷面銑削

最終成都橋歷時45天完成打印加工制造，現(xiàn)已于今年初在驛馬河公園完成安裝工作，實景圖如圖所示：

圖15成都3D打印橋效果圖實景圖對比