超大尺度高分子復合材料3D打印技術研發(fā)與應用*

陳曉明，陸承麟,3，龔 明，周 鳴,3

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

0 引言

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

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

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

相比之下，3D打印在建筑領域的應用處于起步階段，國內高校、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，從建造邏輯、結構形式、建造技術方面與傳統(tǒng)建造方式進行對比，從理論上分析論證3D打印建筑技術的可行性和應用趨勢，依據(jù)問題和局限性提出應對策略，逐漸替代部分傳統(tǒng)工藝。而通常情況下，建筑構件尺寸較大，常規(guī)桌面級3D打印產能與打印尺寸均無法滿足實際要求，針對建筑領域的超大尺度高分子復合材料3D打印技術應運而生，其與常規(guī)桌面打印熔絲制造技術的區(qū)別如表1所示。

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

1 高分子復合材料研究

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

1.1 機械性能

為滿足應用場景的力學性能需求，需對熔融沉積后的材料拉伸及彎曲模量、缺口沖擊強度、線性膨脹系數(shù)等性能參數(shù)進行測試，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，打印樣條標準式樣如圖1所示，取樣后借助專用流變儀、拉伸應變儀進行破壞測試，放入專用溫度應變測試儀中測試線性膨脹系數(shù)。所有樣條完成測試后，取加權平均值得到最終機械性能數(shù)據(jù)。

圖1 打印樣條標準式樣

多次測試結果表明，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，復合材料分子鏈結構較穩(wěn)定，而樣條沿z向通過熱應力黏結，樣條自身熱量主要向豎直方向擴散。樣條z向力學性能較差，通常將豎直方向拉伸與彈性模量(層間結合力)作為衡量打印質量的重要指標。

1.2 耐候性

耐候性研究內容主要為復合材料分子式中弱鍵發(fā)生的化學反應(如氧化反應)及其引發(fā)的一系列反應，如泛黃、相對分子質量下降、制品表面龜裂、光澤喪失、力學性能下降等，從而影響高分子復合材料制品的正常使用。材料耐候性對建筑構件至關重要，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果吻合性更強，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，測試相關力學性能數(shù)據(jù)，從而得出材料抗紫外老化力學性能保留率，并對相關數(shù)據(jù)進行橫向對比。

1.3 打印穩(wěn)定性

采用原位反應加工技術制備而成的顆粒料，由于復合了纖維及多種助劑、輔材，仍需進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晶材料普遍較穩(wěn)定，而結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動導致結構發(fā)生變化，易產生線條裂變，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、輔材用量及種類進行變動。

2 打印設備研究

超大尺度高分子復合材料3D打印設備主要由運動機構、高流量擠出裝置、配套輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。整套設備打印空間范圍為15m×4m×1.5m，穩(wěn)定運動速度為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 運動機構

為實現(xiàn)超大尺度構件打印，可采用龍門式或機械臂式運動機構，如圖3所示。

針對建筑領域的實際應用需求，采用龍門式運動機構。根據(jù)打印構件、功能區(qū)域尺寸要求，確定打印設備加工制作空間尺寸。綜合考慮大部分建筑結構部件尺寸、模板打印與拼裝普遍需求、打印構件自底板取出并裝車的便捷性、運輸過程安全性與經濟性、打印工藝深度研發(fā)需求等，確定運動機構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。

打印設備采用動橫梁式龍門，內部加工凈寬為4m，對橫梁變形要求高，因此設計時需對橫梁進行結構驗算與仿真分析。采用由齒輪、齒條驅動龍門移動的數(shù)控機床，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，考慮到擠出機需安裝在龍門滑枕上，質量越小越好，以便控制打印精度，因此對擠出裝置進行不斷改進，最終設計出大型立式單螺桿擠出機，包括傳動裝置、加料裝置、料筒、螺桿、加熱裝置、口模。單螺桿擠出機結構簡單可靠，堅固耐用，操作簡單，塑料原料進入料筒后，通過加熱套對原料進行加熱融化，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，適用于機械臂式運動機構，但由于常規(guī)建筑構件體量較大，如采用該裝置，打印耗時較長，且由于產量較小，相關打印構件性能指標較差，無法滿足實際應用需求。

圖4 第1代擠出裝置

對擠出系統(tǒng)地螺桿及內部傳動機構進行了迭代升級，同時對擠出系統(tǒng)進料裝置進行了創(chuàng)新，研發(fā)出第2代擠出裝置，大大提升了擠出產量及穩(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、層間黏結能力差、質地不均勻等問題，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、電機安裝底座、傳動裝置、傳動桿和導向裝置等。

將產量提升至20kg/h，并對擠出系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)交互及聯(lián)動控制進行了升級，將打印工藝控制內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，更改擠出裝置產量及設備系統(tǒng)運動速度，保障了整個打印構件溫度場。采用第3代高流量擠出裝置打印的構件層間結合力較大，大大提高了產品質量。

圖6 第3代擠出裝置

2.3 控制系統(tǒng)

龍門設備均采用主、從驅動同步耦合進行軸控制，2個伺服電機共同承擔荷載。通過扭矩補償控制器實現(xiàn)伺服電機之間的扭矩平衡分配，并根據(jù)伺服電機具體性能分配相應的負載扭矩。

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

3 數(shù)字化打印工藝

3D打印作為智能建造的重要技術之一，離不開數(shù)字化的工藝流程，涵蓋數(shù)字化設計與數(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 拓撲優(yōu)化

規(guī)劃出符合力學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件理論打印模型，根據(jù)打印材料性能參數(shù)進行強度分析，驗證構件強度是否滿足要求。拓撲優(yōu)化填充率一般設為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用場景力學性能要求。

圖8 打印路徑模型

3.2 質量穩(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)解決打印構件由于迅速降溫導致的翹曲及變形過大的問題，揭示打印構件層間黏結力和打印溫度場的關系及不同材料打印界面層溫度控制值與玻璃化溫度的關系，實現(xiàn)層間黏結力達材料強度的60%。

3.3 重疊打印控制

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

圖9 重疊打印示意

3.4 打印構件質量評定

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

4 工程應用

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)設計靈感來源于驛馬河區(qū)域內自由奔騰的河流，似絲綢之路在面前展開。一面扶手設計為“一山連兩翼”的形式，另一面扶手設計為“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合材料3D打印技術應用于異形混凝土模板打印，具有制造工藝簡單、生產周期快、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，轉向城市生態(tài)功能提升、自然資源保護、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合材料3D打印技術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 結語

本文對超大尺度高分子復合材料3D打印技術在建筑領域的應用進行了介紹，對已有技術、設備等進行了總結，為3D打印技術的進一步應用提供參考。超大尺度高分子復合材料3D打印技術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，經濟、社會效益顯著。

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

2)對打印設備進行研究，龍門式運動機構具有高流量、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、層間黏結能力差、質地不均勻等問題。

3)對數(shù)字化打印工藝進行介紹，可通過拓撲優(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)解決打印構件由于迅速降溫導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)可借助三維掃描設備與溫度場檢測設備，從物理及化學層面對打印構件質量進行評定，為超大尺度打印構件質量評定標準化奠定基礎。