增材制造技術(shù)研究進(jìn)展與在機(jī)場項(xiàng)目中應(yīng)用可行性探討

周明丞 何蕓蕓

【摘要】增材制造技術(shù)在近年來快速發(fā)展，在加工獨(dú)特、復(fù)雜幾何形貌產(chǎn)品方面具有顯著優(yōu)勢，制造成本和時間花費(fèi)也在逐年下降，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天等領(lǐng)域。應(yīng)用在建筑工程領(lǐng)域的增材制造技術(shù)又被稱為3D打印建造，在機(jī)場項(xiàng)目中有著巨大的應(yīng)用前景。文章在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合成都天府國際機(jī)場中的實(shí)際構(gòu)件分析介紹非金屬和金屬增材制造技術(shù)的特點(diǎn)和成本，重點(diǎn)針對適用于建筑領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行可行性分析，并進(jìn)一步展望未來增材制造技術(shù)在機(jī)場項(xiàng)目中的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】增材制造;3D打印建造;機(jī)場項(xiàng)目;復(fù)雜構(gòu)件;可行性

【中圖分類號】 TU59【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A

增材制造（additivemanufacturing，AM）技術(shù)，又稱快速成型（rapidprototyping）、3D打印技術(shù)，是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料逐層堆疊的方式來制造物體的工藝。與傳統(tǒng)的減材制造通過切割材料毛坯"減去"材料以創(chuàng)建最終產(chǎn)品不同，這項(xiàng)技術(shù)通過"逐步添加"材料來形成最終產(chǎn)品。世界各國對增材制造技術(shù)高度重視， "中國制造2025"也已將其列為重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵性制造技術(shù)之一。

應(yīng)用在建筑工程領(lǐng)域的增材制造技術(shù)又被成為3D打印建造，多位中國工程院院士認(rèn)為3D打印建造是具有全局影響力的土木建筑工程科技發(fā)展新方向，并提出了加快我國3D打印建造技術(shù)發(fā)展的建議[1]。

相較于傳統(tǒng)制造方法， 3D打印建造利用計(jì)算機(jī)數(shù)字模型打印建立實(shí)體結(jié)構(gòu)，在加工獨(dú)特、復(fù)雜幾何形貌產(chǎn)品方面具有顯著優(yōu)勢。同時，增材制造技術(shù)在近年來快速發(fā)展，制造成本和時間花費(fèi)正在逐年下降，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天等領(lǐng)域。在建筑工程領(lǐng)域， 3D打印建造也被應(yīng)用于拓?fù)鋬?yōu)化節(jié)點(diǎn)、人行橋、建筑小品等的制造加工中[2-3]（圖1）。

機(jī)場項(xiàng)目屬于重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是展現(xiàn)城市形象的門戶，具有復(fù)雜曲面多、獨(dú)特要求多、材料耗量大的特點(diǎn)。3D打印建造能夠快速實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特幾何形貌的復(fù)雜構(gòu)件，在機(jī)場項(xiàng)目中有著巨大的應(yīng)用前景。本文在總結(jié)增材制造技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，基于成都天府國際機(jī)場項(xiàng)目中的實(shí)際構(gòu)件，針對性探討目前較為成熟的增材制造技術(shù)在加工這部分實(shí)際構(gòu)件的成本和可行性，旨在為后續(xù)機(jī)場建設(shè)項(xiàng)目提供新的工藝思路，推廣機(jī)場建設(shè)領(lǐng)域的3D打印建造。

1增材制造技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

1.1增材制造技術(shù)分類

工業(yè)級增材制造技術(shù)主要可以根據(jù)原材料分為金屬制造、非金屬制造以及面向醫(yī)用生物材料的生物結(jié)構(gòu)制造3類。根據(jù) Is0和AsTM聯(lián)合發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn) Is0/AsTM52900[4]，增材制造技術(shù)又可以根據(jù)進(jìn)料方式和工藝原理分為七大類，如表1所示。

這些技術(shù)可以采用包括激光、電子束、電弧、超聲波、后燒結(jié)、攪拌摩擦等作為熱源，對包含不銹鋼、鈦合金、鋁合金等988種金屬、ABs 塑料等1222種聚合物以及219種復(fù)合材料進(jìn)行加工，將原材料（包括粉末/顆粒、絲材、帶材、液體等多種形態(tài)）加熱至完全熔融、部分熔融和膠粘劑熔融等狀態(tài)形成最終產(chǎn)品[5]。對于實(shí)際產(chǎn)品，還可以分為由機(jī)器直接打印產(chǎn)品的一步增材制造，由機(jī)器打印模具、介質(zhì)等再形成產(chǎn)品的多步增材制造和結(jié)合多種增材制造和減材制造技術(shù)完成產(chǎn)品的復(fù)合增材制造。

在眾多技術(shù)中，非金屬增材制造技術(shù)中立體光刻（sLA）、熔融沉積制造（FDM）、多射流熔融（MJF）以及金屬增材制造技術(shù)中的選擇性激光熔融技術(shù)（sLM）、電弧增材制造技術(shù)（wAM）技術(shù)成熟度較高，以這些技術(shù)為基礎(chǔ)的一步多步和復(fù)合增材制造技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域有望得到進(jìn)一步應(yīng)用推廣。

此外，屬于復(fù)合增材制造技術(shù)的混凝土3D打印建造也得到建筑領(lǐng)域越來越多的關(guān)注和研究，并已經(jīng)在建筑小品、小型建筑中得到工程應(yīng)用[6]。

1.2增材制造產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，增材制造技術(shù)已經(jīng)從學(xué)術(shù)研究走向工程實(shí)踐。根據(jù) AMFG協(xié)會發(fā)布的2020行業(yè)白皮書，截止2020年，已有130家設(shè)備制造商、31家軟件制造商、47家原材料供應(yīng)商和11家后處理服務(wù)商，已形成一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈，同時2019年中國的相關(guān)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到30億美元，并被估計(jì)會很快成為全球最大的增材制造市場[7]。

但同時，現(xiàn)階段增材制造技術(shù)仍然面對著成本、標(biāo)準(zhǔn)化等方面的挑戰(zhàn)，尚且不能用于規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)合作編寫并于世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布的2022年增材制造業(yè)前景展望白皮書和賽迪智庫發(fā)布的相關(guān)白皮書顯示：增材制造產(chǎn)品的設(shè)備和原材料成本較高，降低成本任重道遠(yuǎn);現(xiàn)有訂單主要面向高度復(fù)雜性獨(dú)特產(chǎn)品的小規(guī)模制造，缺乏完善的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系，影響技術(shù)的拓展應(yīng)用[8]。

1.3增材制造技術(shù)主要優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)制造方法，增材制造技術(shù)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在其強(qiáng)大的成型能力和無需模具的高效生產(chǎn)。具體表現(xiàn)在：①幾何加工能力強(qiáng)，可建造復(fù)雜空間結(jié)構(gòu);②無需支模搭架，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化建造成型;③材料使用效率高，環(huán)保節(jié)約，材料基本無浪費(fèi);④快速高效，制作周期短;⑤材料種類豐富，適用范圍廣，可多材料同時打印[9]。

非金屬增材制造技術(shù)中的sLA適用于成型精度較高的較大尺寸產(chǎn)品;FDM適用于低成本成型精度要求不高的小型產(chǎn)品;MJF在打印效率、質(zhì)量控制、冷卻時間、處理流程方面有優(yōu)勢，但設(shè)備成本較高。金屬增材制造技術(shù)中，sLM技術(shù)加工產(chǎn)品精度質(zhì)量較好但成本較高且有尺寸限制，主要適用于高要求小型節(jié)點(diǎn)加工;wAM可以在大氣環(huán)境下進(jìn)行加工，適用于低精度要求的大尺寸構(gòu)件。混凝土3D打印技術(shù)，相較于傳統(tǒng)施工方法，可避免搭架支模拆模等工序，節(jié)約大量材料和人力[6]。

2增材制造技術(shù)在機(jī)場項(xiàng)目中應(yīng)用可行性探討

2.1增材制造技術(shù)分解成本模型

Aditya等[10]結(jié)合已有研究通過成本分解給出增材制造的估算模型。增材制造產(chǎn)品成本可以進(jìn)一步細(xì)分為式（1）所示。

式中： CZ 為產(chǎn)品合計(jì)成本;CJ為機(jī)器成本，CC 為材料成本，CL 為勞動成本，CH為后處理成本。

對于每種成本又可以進(jìn)一步考慮5個層級的影響因素，如圖2所示。其中，第一級和第二級為主要的基本參數(shù)和影響因素，第三級和第四級為成本構(gòu)成參數(shù)。

以機(jī)器運(yùn)行成本為例，按實(shí)際使用時間乘以單位時間成本計(jì)算如式（2）所示。

式中： CJY 為機(jī)器運(yùn)營成本;TY 為設(shè)備預(yù)備時間，TZ 為材料裝載時間（包括支撐材料），Ts 為參數(shù)設(shè)定時間，TJ為產(chǎn)品加工時間，TZ 為產(chǎn)品拆卸時間，TC 為機(jī)器清潔時間;CJYH 為每小時機(jī)器運(yùn)行成本，CJN 為考慮使用壽命和利率的購買成本（現(xiàn)值）;NT 為每月工作天數(shù);EH 為每天工作小時數(shù)。

通過逐項(xiàng)估計(jì)分解成本，匯總可以得到整個加工過程的估計(jì)成本。通過估算成本模型可以估算各類增材制造技術(shù)的成本，從而探索其在機(jī)場項(xiàng)目中的可行性。

2.2非金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用可行性分析

2.2.1非金屬增材制造技術(shù)研究進(jìn)展

非金屬增材制造技術(shù)可以進(jìn)一步分為有機(jī)高分子和無機(jī)非金屬材料增材制造，有機(jī)高分子增材制造是以有機(jī)材料（包括光敏樹脂、超高分子量聚合物、蠟材、高性能工程塑料等）為原料，無機(jī)非金屬增材制造是以無機(jī)非金屬材料（包括氧化鋁、氧化錯、碳化硅、氮化鋁、氮化硅等）為原料。值得注意的是目前常用的 ABs、光敏樹脂等材料耐熱性抗火性通常較差，無法滿足直接在機(jī)場這類公共建筑的主體結(jié)構(gòu)中使用，應(yīng)特別注意材料的選用[11]。

表2中為部分典型工業(yè)級非金屬3D打印的力學(xué)性能特點(diǎn)和大致成本，實(shí)際構(gòu)件還需要根據(jù)自支撐設(shè)計(jì)、表面后處理等要求具體確認(rèn)報(bào)價(jià)。整體來看，目前直接打印的工業(yè)級一步增材制造成本較高、力學(xué)性能影響因素多且成型尺寸受限，在機(jī)場建設(shè)領(lǐng)域可用于幾何外形復(fù)雜的裝飾性構(gòu)件、建筑小品等，不適用于主體結(jié)構(gòu)。

因此，現(xiàn)階段非金屬直接增材制造在機(jī)場建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用較少。但通過增材制造完成模板的多步增材制造技術(shù)，以及增減材分段打印的復(fù)合增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，在未來機(jī)場建設(shè)上有望發(fā)揮重要作用。

2.2.2大型構(gòu)件增減材分段打印

針對建筑構(gòu)件尺寸較大、力學(xué)性能耐久性要求較高等特點(diǎn)，大型構(gòu)件的非金屬增減材復(fù)合分段打印成為現(xiàn)階段3D 打印建造的研究應(yīng)用熱點(diǎn)。

成都流云橋項(xiàng)目就采用增減材機(jī)器人分段打印完成鋼-高分子復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)總長22.5 m，寬度2.6 m，總高2.7 m，平立剖面均存在曲面造型;結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置鋼箱梁作為承力主結(jié)構(gòu)，鋼梁下翼緣兩端共設(shè)置8個支座，外部橋形打印構(gòu)件與鋼梁采用螺栓連接并鋪設(shè)橡膠墊;打印構(gòu)件采用熔融沉積成型技術(shù)，為避免發(fā)生翹曲變形，采用"分段打印、組拼成型"方法，沿水平弧向分為20段，每段長約1.15 m，接縫寬度約20 mm;打印構(gòu)件面板上再進(jìn)一步鋪設(shè)塑膠步道[14]（圖3）。

通過這項(xiàng)技術(shù)完成的流云橋力學(xué)性能優(yōu)良（打印的帶原位反應(yīng)玻璃纖維增強(qiáng)AsA工程塑料拉伸強(qiáng)度達(dá)到100 MPa， 抗拉強(qiáng)度達(dá)到147 MPa），時間成本與人工成本較低（打印時間30 d，加工時間15 d，現(xiàn)場只需拼接），打印效果優(yōu)良（結(jié)合造型參數(shù)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、3D打印路徑算法優(yōu)化及現(xiàn)場安裝質(zhì)量控制，成品曲線造型自由自然而靈動）[15]。

在未來機(jī)場建設(shè)項(xiàng)目中，類似的大型曲面建筑小品以及類似人行橋均可采用這項(xiàng)技術(shù)，打造造型獨(dú)特的室內(nèi)室外景觀。

2.2.3非金屬快速模具技術(shù)

基于增材制造的快速模具制造又稱快速模具技術(shù)，根據(jù)是否直接作為模具使用分為間接快速模具和直接快速模具，按照模具材料的硬度又可以分為軟模和硬模，常用的技術(shù)包括：采用 FDM、sLs、sLA、L0M等技術(shù)制備硅橡膠、熱固性樹脂等材料的快速軟模以及快速間接硬模[16]。

面對復(fù)雜曲面構(gòu)件，非金屬快速模具技術(shù)相較于傳統(tǒng)模板能夠大量節(jié)省人工費(fèi)和材料費(fèi)，且成型精度和制造速度也能得到大幅提升。

以天府國際機(jī)場 GRG板為例，設(shè)計(jì)剖面和平面（包括全部外圍檐口）如圖4所示， GRG板剖面形狀較復(fù)雜，在轉(zhuǎn)角處加工難度更大，屬于較復(fù)雜的曲面構(gòu)件。

經(jīng)過市場詢價(jià)，采用傳統(tǒng)模板制作的 GRG和通過 FDM、 s1A打印模板后再制作構(gòu)件的不含稅單價(jià)詳見表3。

可以發(fā)現(xiàn)，采用快速模具技術(shù)制備異形 GRG板具有顯著成本優(yōu)勢，同時相較于傳統(tǒng)模板能大幅降低人工需求，較少制備時間，在未來機(jī)場建設(shè)的異形構(gòu)件制備中能夠得到進(jìn)一步應(yīng)用。

2.2.4混凝土3D打印建造技術(shù)

相較于其他增材制造技術(shù)，以增材制造思想直接面向建筑工程進(jìn)行創(chuàng)新的混凝土3D打印建造技術(shù)在現(xiàn)階段實(shí)際工程應(yīng)用中優(yōu)勢更為明顯。與傳統(tǒng)施工相比，這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化建造成型，生產(chǎn)無需模具，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于小型建筑物、擋墻、混凝土永久模板等構(gòu)筑物中[17]。

混凝土3D打印建造技術(shù)可直接打印構(gòu)件，但堆疊的層間界面缺陷導(dǎo)致力學(xué)性能呈空間各向異性，并會受到材料配比、打印路徑、加載方向等參數(shù)影響，抗壓強(qiáng)度存在較大的離散性，在設(shè)計(jì)時可將其視為各向異性彈塑性材料進(jìn)行有限元分析[9]。利用3D打印強(qiáng)大的成型能力和無需模板的特點(diǎn)，可利用拓?fù)鋬?yōu)化、參數(shù)化設(shè)計(jì)等技術(shù)探索出經(jīng)濟(jì)高效結(jié)構(gòu)形式的建筑形式。圖5為目前已有的部分工程案例，其中迪拜辦公樓還通過了28 t破壞性試驗(yàn)測試[17]。孫曉燕等[9]通過試驗(yàn)得到的3D打印混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)到45 MPa，且具有良好的氣密性水密性和保溫隔聲性能。

考慮到3D打印混凝土力學(xué)性能存在顯著差異，現(xiàn)階段還以3D打印混凝土作為混凝土構(gòu)件的外側(cè)永久模板，從而在可采用原規(guī)范設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，有效避免傳統(tǒng)方法搭建支模的困難，在曲面造型構(gòu)件已經(jīng)得到了一定應(yīng)用。圖6是典型的混凝土模板，根據(jù)市場詢價(jià)，這類3D打印 C30混凝土模板2綜合單價(jià)約為160～200元/m，并可視作5 mm混凝土外殼體。如圖6所示，3D打印混凝土永久模板造型具有一定美感，可直接作為裝飾面使用，如需光滑墻面進(jìn)行抹灰，也可以進(jìn)行額外加工處理。

總體來看，3D打印混凝土可數(shù)字設(shè)計(jì)，一體化精密成型，機(jī)械化程度高，施工速度快，整體封閉性好，在復(fù)雜曲面造型的構(gòu)件中總體造價(jià)也較低，在未來機(jī)場建設(shè)項(xiàng)目中可進(jìn)行探索與應(yīng)用。

2.3金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用可行性

2.3.1 sLM技術(shù)簡介

在眾多金屬增材制造技術(shù)中，選擇性激光熔融技術(shù)（sLM）、電弧絲材增材制造技術(shù)（WAM）在建設(shè)領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)制造方面具有顯著優(yōu)勢，有望在未來機(jī)場的建筑小品、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜鋼構(gòu)件制造中得到應(yīng)用。

由于sLM打印產(chǎn)品的力學(xué)性能會受到眾多因素的影響，如原材料粉末、主要工藝參數(shù)以及sLM設(shè)備等。同時，sLM不銹鋼制品在較高的溫度梯度和快速冷卻過程中形成的外延生長晶體、微觀缺陷和熔池邊界等獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)以及殘余應(yīng)力也是使制品表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)性能的重要影響因素[18]。

結(jié)合已有研究成果，sLM316L不銹鋼制品彈性模量范圍為172.61～215.55 GPa，屈服強(qiáng)度為446.90～583.47 MPa， 極限強(qiáng)度為576.22～734.43 MPa， 延伸率為20.69%～49.56%，泊松比為0.267～0.314[18]。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到甚至高于同種類不銹鋼未退火處理的鍛件水平。制造成本在4.5～6元/g之間，現(xiàn)階段打印成本較高，但隨著技術(shù)進(jìn)步正在逐年下降。

由于目前較高的制作成本，sLM在機(jī)場建設(shè)中的應(yīng)用主要還停留在空間節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋬?yōu)化節(jié)點(diǎn)制備的理論研究階段。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的節(jié)點(diǎn)能顯著減少原始節(jié)點(diǎn)在最不利工況下的低效單元，降低節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，獲得合理而美觀的新型節(jié)點(diǎn)，如圖7所示，部分節(jié)點(diǎn)甚至能在更低的質(zhì)量下取得更大的剛度[2，18]。隨著sLM技術(shù)的進(jìn)步，拓?fù)鋬?yōu)化和增材制造技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用有望在機(jī)場空間鋼節(jié)點(diǎn)中發(fā)揮獨(dú)特作用。

2.3.2拓?fù)鋬?yōu)化節(jié)點(diǎn)的增材制造技術(shù)

WAM技術(shù)與其他制造技術(shù)相比，沉積速率高、制造成本低、可成形對激光反射率高的銅、鋁等材質(zhì)，此外它最顯著的優(yōu)勢是采用機(jī)械手臂在大氣環(huán)境下作業(yè)，產(chǎn)品尺寸不受設(shè)備成型缸和真空室尺寸限制，不需要添加輔助支撐的優(yōu)點(diǎn)。但同時，由于電弧的成形位置由焊槍、焊絲及機(jī)器人的位置共同確定，可達(dá)性及精度比激光低， WAM 技術(shù)成型能力較差。

根據(jù) Wei等[20]的研究，WAM 技術(shù)316不銹鋼制品的拉伸強(qiáng)度在533.3-619.49 MPa。同時，相較于sLM技術(shù)，雖然 WAM技術(shù)的成型精度較差，但其打印成本僅為sLM技術(shù)的1/3左右，且打印尺寸不受限制，已經(jīng)被 MX3D公司應(yīng)用在鋼橋和繭狀咖啡廳中，如圖8所示，成為項(xiàng)目獨(dú)特亮點(diǎn)。因此，在未來機(jī)場項(xiàng)目建設(shè)中，WAM 技術(shù)也是一種極具發(fā)展前景的復(fù)雜形狀大零件制造技術(shù)。

3結(jié)束語

總體來看，我國的建筑行業(yè)是典型的具有勞動密集型特點(diǎn)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在粗放型的管理模式下具有勞動強(qiáng)度大、工業(yè)化程度低、工作環(huán)境差等固有特點(diǎn)。這導(dǎo)致很多工程項(xiàng)目存在建造成本高、難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、環(huán)境污染嚴(yán)重、材料浪費(fèi)大等問題，而伴隨著人口老齡化和勞動力減少， "用工荒"現(xiàn)象日益嚴(yán)峻。

增材制造技術(shù)是一種綠色化、智能化、工業(yè)化的現(xiàn)代智能制造技術(shù)，對提升建筑行業(yè)工業(yè)化水平，促進(jìn)行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展具有重要工程實(shí)踐意義，但目前工程實(shí)踐還處于起步階段。

本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合成都天府國際機(jī)場中的實(shí)際構(gòu)件分析介紹非金屬和金屬增材制造技術(shù)的特點(diǎn)和成本，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)階段具有可行性的大型構(gòu)件增減材分段打印、非金屬快速模具技術(shù)、混凝土3D打印建造技術(shù)、拓?fù)鋬?yōu)化空間節(jié)點(diǎn)的sLM制備和 WAM技術(shù)，旨在推廣和探討在未來機(jī)場建設(shè)項(xiàng)目中增材制造技術(shù)的工程實(shí)踐。

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