探討3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用與展望

王偉臣

摘要： 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)作為一種新型的科學(xué)技術(shù)，其已在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，其中在土木工程中的應(yīng)用則是3D打印技術(shù)的一大體現(xiàn)。本文主要對(duì)3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用與展望進(jìn)行了一定的分析與探討，旨在一定程度上有效發(fā)揮3D打印技術(shù)的重要功能，并進(jìn)一步促進(jìn)土木工程行業(yè)的發(fā)展。

Abstract： With the continuous development of the social economy and the increasing progress of science and technology， 3D printing technology as a new technology has been widely applied and developed in many fields， including application in civil engineering which is a reflection of the 3D printing technology. This paper mainly discussed and analyzed the application and prospect of 3D printing technology in the civil engineering， in order to make the 3D printing technology effectively play an important function to a certain extent， and further promote the development of the civil engineering profession.

關(guān)鍵詞： 3D打印技術(shù)；土木工程；應(yīng)用；展望

Key words： 3D printing technology；civil engineering；application；prospect

中圖分類號(hào)：TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）05-0085-02

0 引言

在現(xiàn)代化的發(fā)展過程中，3D打印技術(shù)不僅可以打印出小件的工藝品，且還可以打印出大型的物件，如汽車、建筑物等，因此當(dāng)前該技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于土木工程建設(shè)領(lǐng)域中。在實(shí)際作業(yè)過程中，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于工程建設(shè)中，其可以有效地改善傳統(tǒng)的工程建設(shè)模式，并可以大大地提高建設(shè)的效率，降低工程的成本支出，對(duì)緩解社會(huì)壓力具有非常重要的作用。

當(dāng)前，人們已逐漸對(duì)3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的分析與研究。

1 3D打印技術(shù)其特點(diǎn)

1.1 制造精度高

目前在經(jīng)濟(jì)市場中使用的3D打印成型的精度都比較高，其基本上都可以控制在0.3mm以下，其中一些3D打印成型的最高精度還可以達(dá)到0.025-0.05mm，而這種精度就可以在一定程度上滿足大多數(shù)產(chǎn)品的需要，這為充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的特點(diǎn)也奠定了良好的基礎(chǔ)條件。

1.2 制作周期較短

在傳統(tǒng)的模型制造過程中，其往往都需要經(jīng)歷一系列的工序流程，如從模具的設(shè)計(jì)到模型的制作，再經(jīng)過模型的修整等工序，從而才可完成模型的整個(gè)制作過程。其中，在經(jīng)歷一系列的工序制造時(shí)，其本身就需要花費(fèi)較長的周期，因此不僅大大浪費(fèi)了人力、物力，且還會(huì)在一定程度上影響制作工程的進(jìn)度。但是通過使用3D打印技術(shù)，其可以大大地縮短作業(yè)的時(shí)間，3D打印技術(shù)作為一種新型化的技術(shù)方法，其可以有效地去除模具的制作過程，從而為模具的有效生產(chǎn)提供了良好的發(fā)展條件。

1.3 個(gè)性化制作

3D打印技術(shù)通過使用CAD技術(shù)，從而不僅可以有效地避免傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜的生產(chǎn)流程，且還能將設(shè)計(jì)圖紙上的連續(xù)物理層的疊加也打印出來，這對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化具有極其重要的作用。

1.4 制作材料的多樣性

3D打印技術(shù)的使用可以有效地實(shí)現(xiàn)不同材料的打印或者是多種材料的混合打印，從而可以滿足制作材料的多樣性特色。

1.5 成本節(jié)約

3D打印技術(shù)作為一種新型化的技術(shù)，其在一定程度上有效地改善了傳統(tǒng)加工制作方法的弊端。在實(shí)際應(yīng)用過程中，3D打印技術(shù)通過采用更加便宜、可靠的新材料來進(jìn)一步節(jié)約加工成本，且對(duì)于社會(huì)生態(tài)環(huán)境來說，3D打印技術(shù)的使用具有更加環(huán)保的特色。

2 3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

當(dāng)前，3D打印技術(shù)已在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，其在土木工程中也不例外。隨著人們生活水平的不斷提升，人們對(duì)土木工程的質(zhì)量已提出了更高的要求，而3D打印技術(shù)也成為促進(jìn)土木工程發(fā)展必不可少的新工具。

下面主要對(duì)3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的分析。

2.1 3D打印技術(shù)在工程建筑模型中的初步應(yīng)用

3D打印技術(shù)在土木工程建筑設(shè)計(jì)中具有著非常重要的作用，目前人們已對(duì)土木工程提出了更高的要求，因此設(shè)計(jì)師對(duì)工程建筑的設(shè)計(jì)上也逐漸趨向復(fù)雜化，而在現(xiàn)代化的發(fā)展過程中，傳統(tǒng)的制作模型方法已不再適應(yīng)于現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需求，因此3D打印技術(shù)便成為設(shè)計(jì)師必不可少的工具。通過使用3D打印技術(shù)，其可以將一個(gè)完整的建筑模型打印出來，而在此作業(yè)過程中工作人員只需將建筑物的立體數(shù)據(jù)輸入電腦中，然后按打印鍵，3D打印機(jī)就會(huì)根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)打印出立體實(shí)物。該打印時(shí)間的過程并不是很長，只需要幾分鐘而已，從而大大地提升了制作土木工程建筑模型的效率。

此外，用3D打印機(jī)打印出來的建筑模型不僅可以大大地吸引顧客的注意，且還能滿足顧客對(duì)工程建筑模型審美的要求，且由于建筑模型與實(shí)體建筑的相似度極高，因此人們對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用也給予了足夠的重視與關(guān)注。

2.2 3D打印技術(shù)在土木工程應(yīng)用中遇到的問題

雖然3D打印技術(shù)已在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，但是在實(shí)際作業(yè)過程中，3D打印技術(shù)仍然在其中存在一定的問題而影響土木工程的進(jìn)一步發(fā)展。

其一，由于3D打印技術(shù)在靜態(tài)形狀的處理上已取得了較好的成績，但是其在動(dòng)態(tài)形狀的處理上卻仍缺乏有效的清晰度，在實(shí)際作業(yè)過程中，3D打印機(jī)的精度和工作效率是受到機(jī)器比例的影響的，機(jī)器越大越難生產(chǎn)，從而也便出現(xiàn)打印機(jī)器的限制問題。

其二，3D打印技術(shù)的使用還存在著一定的安全問題，首先使用3D打印技術(shù)制造出的土木工程的結(jié)構(gòu)是否與傳統(tǒng)行業(yè)制造出來的一樣堅(jiān)固，這一問題仍值得人們進(jìn)一步研究；其次工程建筑的抗震性是否滿足相應(yīng)的要求也值得人們進(jìn)行深入的探討；此外工程建筑的耐撞擊性也需要國家出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)。由此可知，這些問題的存在都給3D打印技術(shù)的運(yùn)用帶來了一定的挑戰(zhàn)，其仍需要相關(guān)人員對(duì)此進(jìn)行深入的分析與研究。

2.3 D打印技術(shù)在土木工程中的實(shí)例論證

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)已逐漸出現(xiàn)在土木工程研究者的視野中，因此3D打印建筑便也隨之產(chǎn)生。在實(shí)際生活中，意大利一研究者發(fā)明了世界首臺(tái)大型建筑3D打印機(jī)，這臺(tái)打印機(jī)的底部有許多噴嘴，可以噴射出鎂至黏合物，并在黏合物上噴撒砂子，從而逐漸鑄成石質(zhì)固體，再通過一層層地黏合物和砂子的結(jié)合，最終形成石質(zhì)建筑物，進(jìn)而通過使用建筑材料可以成功打印出高4米的建筑物。如圖1所示，即為大型建筑3D打印機(jī)打印出來的工程建筑物。同時(shí)，在上海青浦也相繼出現(xiàn)了一批3D打印工程建筑，該研發(fā)者主要是將回收的建筑垃圾與玻璃纖維作為打印原料，然后采用自行設(shè)計(jì)的組裝打印機(jī)械完成建筑工程的“打印”。此外，在荷蘭的一家建筑企業(yè)中，其也開始進(jìn)行一棟大樓的打印，在其施工過程中主要是運(yùn)用3D打印機(jī)來打印預(yù)制件，并將其像積木一般壘積起來以完成相應(yīng)的打印作業(yè)。

由此可見，3D打印技術(shù)已在實(shí)際生活中具有著非常廣泛的運(yùn)用，一方面3D打印技術(shù)在打印的過程中不僅可以進(jìn)行建筑工程表面的平整，且還能提高打印建筑表面的光滑度和精確度，從而避免重復(fù)施工；另一方面，3D打印技術(shù)可以加大每層打印的厚度，提高建筑工程的施工效率，對(duì)提高建筑工程的結(jié)構(gòu)性能具有非常重要的作用。

3 3D打印技術(shù)在土木工程應(yīng)用中的展望

首先，在土木工程領(lǐng)域中，由于商品混凝土的原材料將會(huì)比現(xiàn)在的種類多出很多種，且其應(yīng)用也會(huì)更加廣泛，在土木工程領(lǐng)域中，人們可能將樹脂材料、特種水泥材料甚至是鎂質(zhì)膠凝材料作為其主要材料。因此，為了有效地滿足3D打印的實(shí)際需求，3D打印機(jī)的使用材料也會(huì)得到一定的更新，新型化材料的使用對(duì)有效解決土木工程中各層間的結(jié)合問題具有著非常重要的作用。

其次，由于3D打印機(jī)會(huì)隨機(jī)進(jìn)行不間斷地工作，因此在土木工程中，其混凝土生產(chǎn)的持續(xù)性問題也會(huì)隨著3D打印機(jī)進(jìn)行不斷地運(yùn)轉(zhuǎn)，而這種情形的產(chǎn)生則有利于整個(gè)土木工程項(xiàng)目可以在一個(gè)周期內(nèi)或者是一次性完成，這對(duì)土木工程的發(fā)展具有非常重要的作用。但同時(shí)，其也在一定程度上增強(qiáng)了攪拌系統(tǒng)的質(zhì)量要求，以利于促進(jìn)攪拌工作的正常開展。

4 結(jié)束語

綜上所述，3D打印技術(shù)在土木工程建設(shè)中具有著非常重要的作用，因此相關(guān)人員需對(duì)此給予一定的重視與關(guān)注，以在一定程度上加強(qiáng)對(duì)3D打印技術(shù)的分析與研究，通過充分發(fā)揮該技術(shù)的功能來進(jìn)一步促進(jìn)我國土木工程建設(shè)的發(fā)展，從而也為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

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