3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

● 陳曉明

3D打印即增材制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)，通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

3D打印起源于19世紀(jì)末的美國，由美國研究的照相雕塑和地貌成型技術(shù)開創(chuàng)了3D打印核心思想。1984年，查爾斯胡爾將光學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖俪尚皖I(lǐng)域，并于1986年成立了世界上第一家生產(chǎn)3D打印設(shè)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(shù)不斷創(chuàng)新，應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)拓展，3D打印產(chǎn)業(yè)逐漸成熟。

目前3D打印根據(jù)應(yīng)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(jī)為3D打印技術(shù)初級階段和入門階段，能夠很直觀地闡述3D打印技術(shù)的工藝原理。

圖1 查爾斯胡爾3D打印技術(shù)之父

圖2 桌面民用級3D打印

而工業(yè)級3D打印的應(yīng)用由于其受制于技術(shù)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(shù)行業(yè)，在其它傳統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)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(shù)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(shù)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(nèi)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(xué)性能（即層間結(jié)合力）以及熱穩(wěn)定性和熱歷史過程等。

圖4 高分子復(fù)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(shè)備。工業(yè)級3D打印材料主要采用的為3mm工業(yè)粒料復(fù)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(qiáng)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(shè)備

超大尺度高分子復(fù)合材料增材制造由于工藝及應(yīng)用場景的特殊對設(shè)備系統(tǒng)有著特殊的要求：超大工作范圍內(nèi)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(jī)床復(fù)合機(jī)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(jī)床

為了滿足在大跨度，大范圍內(nèi)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(shè)計(jì)，機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)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(jī)反向消隙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大尺度下的高速高精度調(diào)校，X軸直線度達(dá)到0.01ppm，Y軸直線度為0.01ppm。

圖7 高速高精龍門式機(jī)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(jié)構(gòu)采用的立式單螺桿擠出設(shè)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(nèi)。同時因?yàn)槠涑掷m(xù)高溫作業(yè)的特性，整套系統(tǒng)的硬件都經(jīng)過耐高溫?zé)崽幚磔o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(jié)合力較差，這大大制約了打印產(chǎn)品的應(yīng)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?cái)D出后對材料的流態(tài)控制系統(tǒng)，達(dá)到了增加打印構(gòu)建層間強(qiáng)度，穩(wěn)定打印構(gòu)件各處材料密度的統(tǒng)一性，解決了大型打印構(gòu)件整體強(qiáng)度低的問題，使得采用熔融沉積成型工藝的構(gòu)件Z方向?qū)娱g粘結(jié)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(jìn)行動態(tài)夯實(shí)處理，打印的熔體線條均能達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的線寬與層高，保持了美觀性。

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

圖9 點(diǎn)云掃描合模碰撞檢測，色階圖量化誤差

3 應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)采用箱型鋼梁，打印的上部橋型通過一頭機(jī)械連接固定另一頭自由釋放內(nèi)應(yīng)力的方式在車間內(nèi)進(jìn)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(gòu)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(shè)計(jì)，通過專用軟件進(jìn)行力學(xué)搭載模擬仿真以及拓?fù)鋬?yōu)化仿真設(shè)計(jì)，再借助專用切片軟件，結(jié)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(yùn)動軌跡（剖面）

3）對路徑模型進(jìn)行受力分析并指導(dǎo)設(shè)計(jì)路徑（剖面）

4）結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)與數(shù)字設(shè)計(jì)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(shí)景圖如圖所示：

圖10 桃浦“時空橋”打印完成圖及實(shí)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(nèi)，橋全長21.58米、寬8米、高2.68米，整體遵循城市規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)理念“一山連兩翼，兩山夾一城”

成都橋采用的總體技術(shù)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(shù)：

1）全過程溫度場監(jiān)控

為了確保打印質(zhì)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(jìn)行溫度數(shù)據(jù)記錄以及參照經(jīng)驗(yàn)參數(shù)比對，確保了打印構(gòu)件較小的形變以及最佳的打印質(zhì)量，如圖所示：

圖11 溫度場熱歷史全過程監(jiān)控

2）激光點(diǎn)云三維掃描

成都橋每段構(gòu)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(jìn)行指導(dǎo)，采用了激光點(diǎn)云三維掃描的方式，通過標(biāo)定靶子建立空間坐標(biāo)系的方式掃描出構(gòu)件的外尺寸點(diǎn)云文件，再放入專業(yè)仿真檢測軟件中進(jìn)行點(diǎn)云模型合模，原設(shè)計(jì)模型進(jìn)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(diǎn)云掃描模型合模，色階圖量化誤差

3）增減材一體化技術(shù)

為了確?，F(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(shí)景圖如圖所示：

圖15成都3D打印橋效果圖實(shí)景圖對比