3D打印技术在土木工程中的应用展望

刘文龙

身份证号码：13022119880412661X

3D打印技术在土木工程中的应用展望

刘文龙

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3D打印技术是近年来新兴的一种技术，自问世以来就得到了广泛的关注，应用跨越各个领域。在建筑领域，它更是以简捷方便的操作方式吸引了不少建筑人在这方面的研究，而在高校之中却还没得到相应的关注，高校作为培养人才的场所，是改革创新的主要力量，应该高度重视科技的发展，3D打印技术作为一种新型的科技，它具备着在建筑方面的巨大潜力，并且已经在建筑方面得到不少的研究成果。本文主要对3D打印技术在土木工程建设中所起到的应用和发展进行研究和探讨。

土木工程；3D打印技术；应用

目前的3D打印技术不仅可以打印出小件的工艺品，而且还可以打印出汽车来，且能够被广泛的应用于建筑领域，据了解全球的第一座3D打印建筑有望在2014年已经问世，因此我们相信3D打印技术将会为土木工程带来革命性的改变。3D打印建筑技术的基本原理是利用3D打印技术建造房屋，和其他3D打印不同的是，它需要一个巨型的三维挤出机械，并且它挤出的是混凝土，通过与计算机相连接，将设计蓝图变成实物。虽然在概念上设计起来很简单，但实际上实施起来相当复杂，要解决的技术问题非常多。

1. 3D打印技术原理

3D打印技术也称三维打印技术或快速成型技术，就是在普通的二维打印的基础上再加一维，使其最终形成一个三维物体，它工作原理是一种以数字模型文件为基础，即需要先在计算机上建模，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过将一层层地粘合材料打印制造三维的物体的技术，实现这种成型的设备称为3D打印机。成型的方法方式也多种多样，传统的有喷墨粘粉式(3DP)和熔融挤压式(FDM)，近年来出现的新型打印机包括压电喷墨式、气动式、电动式、电流体动力喷式和混合式等，但是无论何种成型法，都是采取原料加层方法形成3D物体，这种打印实体的方式比传统的技术要更加方便快捷，绿色节能。

2. 3D打印技术的发展

近年来，3D打印技术的发展得到快速的提升。自上世纪90年代中期出现的第一台通过光固化与纸层叠加等技术实现模型的快速成型机械，经过近30年的发展，3D打印技术在各科技领域的应用越来越广泛。主要涉及到模型设计行业、汽车、航天航空、军事、土木工程等领域。但由于3D打印技术起步时间较晚，虽然现阶段各国科技水平不断进步，但对3D打印技术的应用仍属于探索阶段。就目前来说，虽然对3D打印技术的应用十分广泛，但3D打印技术在进行数字模型成型时仍存在着一些问题有待解决。随着不断的试验，对3D打印技术的不断摸索和3D打印机的不断改进，以及人们在材料科学领域的不断试验听得到的成功，3D打印技术将是未来人类生产生活中必不可少的一种技术手段。

3. 3D打印技术在土木工程中的应用

3.1 3D 打印技术打印建筑物实例

如图1、图2就是用特殊“油墨”借助一台大型的3D打印机所打印出来的。房子的面积不大，十来个平方，最高不过两层，然而特别之处是我们看不到传统施工方法和材料，现场我们看不到一砖一瓦，墙体是由一层层水泥材料堆叠而成，呈现出年轮蛋糕的结构，这也就是我们3D打印技术层层打印的原理所喷绘而成的这样一个结构。据了解，用建筑垃圾制成的“油墨”是一种经过特殊玻璃纤维强化处理的混凝土材料，其使用年限和强度都高于钢筋混凝土。而且由3D打印机打印出来的空心墙不但能够很好地减轻了建筑物的自重，还能够填充一些保温材料或设计墙体结构，一次性解决墙体承重的结构问题。相同的，无论是桥梁、简易工房、居民住宅、剧院或者是宾馆、其建筑的强度都符合并且高于国家建筑行业标准，更让我们想不到的是，这种“油墨”挤出后很快凝固，保证了打印机的连续打印，也即是说如果我们要建一栋25层的住宅楼，只要打好地基，仅需要半个月即可完成整栋楼的建筑框架，最后安装好门窗，水管和电线管，最快一个多月我们便可入住。

3.2 在土木工程材料中的应用

商品混凝土的原材料将会比现在的种类多出许多，应用的也将更为广泛，例如胶凝材料，未来可能将树脂材料、特种水泥材料，甚至是镁质胶凝材料作为其主要材料，此外，对于粗细的要求将会更加严格，以满足3D打印的实际需求，也有可能使用破碎工艺制造出现在没有的材料，并且外加剂也将会产生较大的改变，材料运用的不用将在混凝土中的作用也存在着巨大的差异。为了能够满足3D打印需求，混凝土不仅需要在空气中快速的凝结，而且其还应该具备优秀的流变性，骨料的粒径将进一步的缩小，粒径也更加趋于圆形，并且由于新型外加剂的使用，使得其能够完美的解决各层间的结合问题。

3.3 在土木工程结构中的应用

3D打印技术在土木工程建设中的应用，主要是利用现代先进的3D打印技术，即快速成型建筑结构的一种技术，它是一种以数字信息技术为基础，先在计算机上建立建筑结构的单个结构模型或整体结构模型，然后运用建筑的废弃物粉末加水泥为粘结剂，或加人其他的建筑粘合材料，通过逐层打印的方式来构造建筑结构构件或整体建筑，在土木工程建设中运用3D打印技术，运用建筑废弃物来建造我们需要建设的建筑物体，该技术将具有节约人力，节省建筑材料，缩短建筑工期，绿色环保，废物利用、节能降耗和改善环境的优点同时将改变现有建筑技术的先进性和实用性。

综上所述，通过对3D打印主要技术和打印材料发展现状、特点进行简要的介绍以及对其在医疗器械、航空航天领域已有应用的举例，可见3D打印对于制造业巨大的影响力，并由此引人其在土木工程领域可能的应用。主要提出了3D打印在复杂钢结构节点、浇铸模具、抗震耗能构件、建筑施工模板、智能化施工方面可能的应用展望。最后对于3D打印在土木工程应用的前期预研进行了探讨，使其应用的实现更具有现实意义。

[1] 陶雨濛，张云峰，陈以一，王伟，童乐为. 3D打印技术在土木工程中的应用展望[J]. 钢结构，2014，08：1-8.

[2] 杨宇. 3D打印技术在土木工程中的应用展望[J]. 现代装饰(理论)，2014，11：217.