超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用*

陳曉明，陸承麟,3，龔 明，周 鳴,3

(1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2.上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心，上海 200072；3.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，上海 200072；4.上海園林綠化建設(shè)有限公司，上海 200333)

0 引言

3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)，也稱為增材制造技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通常采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。3D打印無須使用專用工具即可制造零件，生產(chǎn)成本相對較低，可實現(xiàn)原型、小批量生產(chǎn)和一次性定制。

2019年，全球3D打印市場主要產(chǎn)值來源包括3D打印系統(tǒng)設(shè)備、軟件、材料和服務(wù)，但不包括公司內(nèi)部的投資。在未來幾年中，分析師預(yù)計3D打印市場將以平均24%的復(fù)合年增長率增長，至2024年產(chǎn)值預(yù)計達(dá)350億美元。

3D打印市場需求中，超過65%的用戶從事工業(yè)、電子或消費(fèi)品開發(fā)專業(yè)。3D打印已在航空航天、汽車和醫(yī)療領(lǐng)域得到一定應(yīng)用，替代了部分較落后的技術(shù)。

相比之下，3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用處于起步階段，國內(nèi)高校、研究院聯(lián)合建筑單位正在研制和開發(fā)3D打印建筑技術(shù)，從建造邏輯、結(jié)構(gòu)形式、建造技術(shù)方面與傳統(tǒng)建造方式進(jìn)行對比，從理論上分析論證3D打印建筑技術(shù)的可行性和應(yīng)用趨勢，依據(jù)問題和局限性提出應(yīng)對策略，逐漸替代部分傳統(tǒng)工藝。而通常情況下，建筑構(gòu)件尺寸較大，常規(guī)桌面級3D打印產(chǎn)能與打印尺寸均無法滿足實際要求，針對建筑領(lǐng)域的超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其與常規(guī)桌面打印熔絲制造技術(shù)的區(qū)別如表1所示。

表1 超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)與常規(guī)桌面打印熔絲制造技術(shù)的區(qū)別

1 高分子復(fù)合材料研究

超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)可縮短原材料加熱周期，降低成本，且打印性能更好。應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的高分子復(fù)合材料需具有高機(jī)械性能、高耐候性、高穩(wěn)定性、高阻燃性，且應(yīng)可回收利用，滿足綠色環(huán)保要求。由于采用全新的材料加工方式，高分子復(fù)合材料需選用熱塑性聚合物，其特有的長鏈結(jié)構(gòu)在熔融成型過程中，受分子鏈構(gòu)象調(diào)整和鏈段運(yùn)動速度的影響，無法完全釋放材料內(nèi)應(yīng)力，將導(dǎo)致打印構(gòu)件存在翹曲、開裂、層間脫節(jié)等質(zhì)量隱患。因此，需對材料進(jìn)行系統(tǒng)性研究，得到滿足建筑使用的數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)實際工程。

1.1 機(jī)械性能

為滿足應(yīng)用場景的力學(xué)性能需求，需對熔融沉積后的材料拉伸及彎曲模量、缺口沖擊強(qiáng)度、線性膨脹系數(shù)等性能參數(shù)進(jìn)行測試，并收集測試數(shù)據(jù)。測試時需采用單一控制變量原則，保持其他打印參數(shù)不變，打印樣條標(biāo)準(zhǔn)式樣如圖1所示，取樣后借助專用流變儀、拉伸應(yīng)變儀進(jìn)行破壞測試，放入專用溫度應(yīng)變測試儀中測試線性膨脹系數(shù)。所有樣條完成測試后，取加權(quán)平均值得到最終機(jī)械性能數(shù)據(jù)。

圖1 打印樣條標(biāo)準(zhǔn)式樣

多次測試結(jié)果表明，樣條xy向(水平方向)線性膨脹系數(shù)較小，而z向(豎直方向)較大，這是因為xy向為連續(xù)打印方向，復(fù)合材料分子鏈結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，而樣條沿z向通過熱應(yīng)力黏結(jié)，樣條自身熱量主要向豎直方向擴(kuò)散。樣條z向力學(xué)性能較差，通常將豎直方向拉伸與彈性模量(層間結(jié)合力)作為衡量打印質(zhì)量的重要指標(biāo)。

1.2 耐候性

耐候性研究內(nèi)容主要為復(fù)合材料分子式中弱鍵發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)(如氧化反應(yīng))及其引發(fā)的一系列反應(yīng)，如泛黃、相對分子質(zhì)量下降、制品表面龜裂、光澤喪失、力學(xué)性能下降等，從而影響高分子復(fù)合材料制品的正常使用。材料耐候性對建筑構(gòu)件至關(guān)重要，通常采用自然老化及氙燈/紫外燈加速老化測試材料耐候性，其中自然老化測試結(jié)果吻合性更強(qiáng)，但由于測試周期較長，已逐漸被淘汰。因模擬自然光的加速老化測試方法(氙燈/紫外燈加速老化測試)與3D打印特性更匹配，得到了廣泛應(yīng)用。

測試時將樣條放入高溫或高濕度老化試驗箱一段時間后，測試相關(guān)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，從而得出材料抗紫外老化力學(xué)性能保留率，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

1.3 打印穩(wěn)定性

采用原位反應(yīng)加工技術(shù)制備而成的顆粒料，由于復(fù)合了纖維及多種助劑、輔材，仍需進(jìn)行實際擠出與打印測試，根據(jù)初始熔融溫度自然降至環(huán)境溫度的材料狀態(tài)，驗證材料配合比的正確性及3D打印穩(wěn)定性。熱塑性樹脂中的非結(jié)晶材料普遍較穩(wěn)定，而結(jié)晶材料由于自身存在雙玻璃化溫度，熔融擠出后因分子鏈運(yùn)動導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，易產(chǎn)生線條裂變，如圖2所示。如有打印線條裂變、不光澤、顏色發(fā)生明顯變化等現(xiàn)象發(fā)生，說明高分子復(fù)合材料打印穩(wěn)定性較差，需對添加的纖維及助劑、輔材用量及種類進(jìn)行變動。

2 打印設(shè)備研究

超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印設(shè)備主要由運(yùn)動機(jī)構(gòu)、高流量擠出裝置、配套輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。整套設(shè)備打印空間范圍為15m×4m×1.5m，穩(wěn)定運(yùn)動速度為10 000mm/min，定位精度為±0.1mm，打印速度為12kg/h，打印頭口模直徑為5～8mm，可驗證的打印系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作時長≥720h。

2.1 運(yùn)動機(jī)構(gòu)

為實現(xiàn)超大尺度構(gòu)件打印，可采用龍門式或機(jī)械臂式運(yùn)動機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

針對建筑領(lǐng)域的實際應(yīng)用需求，采用龍門式運(yùn)動機(jī)構(gòu)。根據(jù)打印構(gòu)件、功能區(qū)域尺寸要求，確定打印設(shè)備加工制作空間尺寸。綜合考慮大部分建筑結(jié)構(gòu)部件尺寸、模板打印與拼裝普遍需求、打印構(gòu)件自底板取出并裝車的便捷性、運(yùn)輸過程安全性與經(jīng)濟(jì)性、打印工藝深度研發(fā)需求等，確定運(yùn)動機(jī)構(gòu)x軸龍門行程為24m，y軸龍門行程為4m，z軸龍門行程為2.5m。

打印設(shè)備采用動橫梁式龍門，內(nèi)部加工凈寬為4m，對橫梁變形要求高，因此設(shè)計時需對橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算與仿真分析。采用由齒輪、齒條驅(qū)動龍門移動的數(shù)控機(jī)床，由固定工作臺、x軸移動龍門、y軸移動拖板及z軸移動拖板組成。

2.2 高流量擠出裝置

高流量擠出裝置是3D打印核心裝備之一，考慮到擠出機(jī)需安裝在龍門滑枕上，質(zhì)量越小越好，以便控制打印精度，因此對擠出裝置進(jìn)行不斷改進(jìn)，最終設(shè)計出大型立式單螺桿擠出機(jī)，包括傳動裝置、加料裝置、料筒、螺桿、加熱裝置、口模。單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)簡單可靠，堅固耐用，操作簡單，塑料原料進(jìn)入料筒后，通過加熱套對原料進(jìn)行加熱融化，擠出螺桿將融化后的原料通過動力輸出端擠出口模。

第1代1kg級擠出裝置如圖4所示，適用于機(jī)械臂式運(yùn)動機(jī)構(gòu)，但由于常規(guī)建筑構(gòu)件體量較大，如采用該裝置，打印耗時較長，且由于產(chǎn)量較小，相關(guān)打印構(gòu)件性能指標(biāo)較差，無法滿足實際應(yīng)用需求。

圖4 第1代擠出裝置

對擠出系統(tǒng)地螺桿及內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了迭代升級，同時對擠出系統(tǒng)進(jìn)料裝置進(jìn)行了創(chuàng)新，研發(fā)出第2代擠出裝置，大大提升了擠出產(chǎn)量及穩(wěn)定性，如圖5所示。

為解決3D打印原料擠出量大時，打印原料遇到的成型不穩(wěn)定、層間黏結(jié)能力差、質(zhì)地不均勻等問題，研發(fā)出材料流態(tài)控制系統(tǒng)，主要包括安裝底座、拍打板、電機(jī)安裝底座、傳動裝置、傳動桿和導(dǎo)向裝置等。

將產(chǎn)量提升至20kg/h，并對擠出系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)交互及聯(lián)動控制進(jìn)行了升級，將打印工藝控制內(nèi)容加至擠出裝置自動化控制中，研發(fā)出了第3代高流量擠出裝置，如圖6所示。新增無極變速控制，即針對單圈長度不同，控制單層打印時間不變，更改擠出裝置產(chǎn)量及設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)動速度，保障了整個打印構(gòu)件溫度場。采用第3代高流量擠出裝置打印的構(gòu)件層間結(jié)合力較大，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6 第3代擠出裝置

2.3 控制系統(tǒng)

龍門設(shè)備均采用主、從驅(qū)動同步耦合進(jìn)行軸控制，2個伺服電機(jī)共同承擔(dān)荷載。通過扭矩補(bǔ)償控制器實現(xiàn)伺服電機(jī)之間的扭矩平衡分配，并根據(jù)伺服電機(jī)具體性能分配相應(yīng)的負(fù)載扭矩。

因齒輪間隙問題導(dǎo)致長行程的精度損失，在數(shù)控系統(tǒng)中引入雙電機(jī)反向消隙功能，2個電機(jī)通過齒輪與赤道儀的主齒輪嚙合，并按雙電機(jī)消隙控制曲線進(jìn)行驅(qū)動，,不會出現(xiàn)2個電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩同時為零的情況。

3 數(shù)字化打印工藝

3D打印作為智能建造的重要技術(shù)之一，離不開數(shù)字化的工藝流程，涵蓋數(shù)字化設(shè)計與數(shù)字化加工，3D打印數(shù)字化工藝流程如圖7所示。

圖7 3D打印數(shù)字化工藝流程

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化

規(guī)劃出符合力學(xué)性能要求的晶格分布，根據(jù)晶格分布規(guī)劃出適合超大尺度3D打印路徑模型，如圖8所示。通過路徑模型逆向模擬出構(gòu)件理論打印模型，根據(jù)打印材料性能參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度分析，驗證構(gòu)件強(qiáng)度是否滿足要求。拓?fù)鋬?yōu)化填充率一般設(shè)為10%～20%，大大節(jié)省了打印用料，降低了打印成本，且成型后的模型滿足應(yīng)用場景力學(xué)性能要求。

圖8 打印路徑模型

3.2 質(zhì)量穩(wěn)態(tài)控制

可通過控制環(huán)境溫度、材料熔融溫度、玻璃化溫度、單層打印時間等打印工藝參數(shù)解決打印構(gòu)件由于迅速降溫導(dǎo)致的翹曲及變形過大的問題，揭示打印構(gòu)件層間黏結(jié)力和打印溫度場的關(guān)系及不同材料打印界面層溫度控制值與玻璃化溫度的關(guān)系，實現(xiàn)層間黏結(jié)力達(dá)材料強(qiáng)度的60%。

3.3 重疊打印控制

進(jìn)行橫向及縱向刀偏補(bǔ)償，在外壁路徑控制參數(shù)中新增錯層高度和橫向重疊量，提高了打印構(gòu)件在外壁結(jié)構(gòu)的橫向與縱向黏結(jié)力，保障了打印構(gòu)件儲熱能沉積能力，使擠出材料溫度長時間位于玻璃化溫度之上，大大減小了構(gòu)件翹曲和變形，在很大程度上提升了構(gòu)件整體力學(xué)性能，且雙道或多道外壁之間的層間結(jié)合更好，多道輪廓間無空隙，如圖9所示。

圖9 重疊打印示意

3.4 打印構(gòu)件質(zhì)量評定

創(chuàng)新性地借助三維掃描設(shè)備與溫度場檢測設(shè)備，從物理及化學(xué)層面對打印構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)行評定，通過對比掃描模型與原設(shè)計模型尺寸誤差及打印過程中熱歷史數(shù)據(jù)，判斷打印構(gòu)件質(zhì)量是否滿足要求，為超大尺度打印構(gòu)件質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。

4 工程應(yīng)用

4.1 大型景觀橋

3D打印景觀橋“流云橋”位于成都桃都大道東段驛馬河公園曲水坊景觀湖之上，全長22.5m，寬2.6m，高2.7m，橋梁形態(tài)設(shè)計靈感來源于驛馬河區(qū)域內(nèi)自由奔騰的河流，似絲綢之路在面前展開。一面扶手設(shè)計為“一山連兩翼”的形式，另一面扶手設(shè)計為“兩山夾一城”的形式，使其更好地融入周圍自然景觀中，如圖10所示。造型優(yōu)美的“流云橋”歷時45d完成打印，打印加工過程均為自動化，大大減少了人工投入。與傳統(tǒng)開鋼模制造異形造型的橋梁相比，節(jié)約50%以上的工期與成本。

圖10 成都3D打印“流云橋”實景

4.2 異形混凝土模板

隨著個性化設(shè)計的深入，異形混凝土模板的需求量越來越大。將超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)應(yīng)用于異形混凝土模板打印，具有制造工藝簡單、生產(chǎn)周期快、節(jié)省人工等優(yōu)勢，如圖11所示。

圖11 異形混凝土模板

4.3 景觀小品

對城市園林景觀功能的要求已從追求外在的形象整潔美觀，轉(zhuǎn)向城市生態(tài)功能提升、自然資源保護(hù)、城市生態(tài)安全保障及城市可持續(xù)發(fā)展能力提升等。采用超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)建造的景觀小品自帶美觀造型，兼具多功能性，如圖12所示。

圖12 3D打印一體式休憩亭

5 結(jié)語

本文對超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，對已有技術(shù)、設(shè)備等進(jìn)行了總結(jié)，為3D打印技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)可大大降低周期與成本，體現(xiàn)了環(huán)境友好、資源節(jié)約的綠色施工理念，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著。

1)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的高分子復(fù)合材料需具有高機(jī)械性能、高耐候性、高穩(wěn)定性、高阻燃性，且應(yīng)可回收利用，滿足綠色環(huán)保要求。以樹脂材料作為基材，以纖維為增強(qiáng)材料，采用原位反應(yīng)加工技術(shù)，可研發(fā)適合于超大尺度構(gòu)件增材制造的高分子復(fù)合材料。

2)對打印設(shè)備進(jìn)行研究，龍門式運(yùn)動機(jī)構(gòu)具有高流量、自穩(wěn)定、高精度等特性，材料流態(tài)控制系統(tǒng)可解決打印原料成型不穩(wěn)定、層間黏結(jié)能力差、質(zhì)地不均勻等問題。

3)對數(shù)字化打印工藝進(jìn)行介紹，可通過拓?fù)鋬?yōu)化節(jié)省打印用料，可通過控制環(huán)境溫度、材料熔融溫度、玻璃化溫度、單層打印時間等打印工藝參數(shù)解決打印構(gòu)件由于迅速降溫導(dǎo)致的翹曲及變形過大的問題，可在外壁路徑控制參數(shù)中新增錯層高度和橫向重疊量。

4)可借助三維掃描設(shè)備與溫度場檢測設(shè)備，從物理及化學(xué)層面對打印構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)行評定，為超大尺度打印構(gòu)件質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。