关于3D打印建筑表面层纹处理技术的研究

杨 炯 黄桂林*

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

3D打印技术在建筑行业中的应用称为3D打印建筑，通过使用计算机辅助设计(CAD)或其他制造3D模型的软件来建造数字模型，通过设计的三维建筑模型，用处理软件把它切割成薄层切片，这些以物体形式存在的薄层被发送到打印机中，它们从下至上层层叠加，最终形成一个完整的建筑物或构件[1]。正是由于这种特殊的加工制造方法，在建筑打印过程中，由于“油墨”材料的特殊性即混凝土材料在层层堆叠的过程中由于自身及上层的重力作用和材料本身的流动性，二者共同作用导致施工过程中构件或者建筑产生变形，这就是我们看到的3D打印墙体或者建筑表面呈现螺旋状的凸起条纹。从理论方面解决这一问题的方法有两种，一是改良“油墨”材料的特性，减小其流动性或者加快其初凝速度，然而当混凝土流动性过小或者凝固速度过快时，在施工过程中又会造成许多严重的质量问题及施工难题，如打印喷头堵塞，层间粘结降低等。因此打印油墨必须保持有适当流动性和凝结速度，这样就必然会产生一定程度上的形变，因此建议使用另一种补救方法，通过物理切割打磨或者补浆填涂找平来实现建筑或者构件表面的平整光滑。国际上目前应用最广的是轮廓工艺和D-Shape打印技术，但是这两种技术都存在一定的问题，本文将应用一种新的打印设备来解决部分前两者无法满足要求的问题。

1 轮廓工艺

“轮廓工艺”是南加州大学工程师比洛克·霍什内维斯发明的，目标是实现整个结构和附属构件的自动化建造，每个建筑均可定制设计，复杂曲线也可实现。轮廓工艺的设计特点在于将3D打印机安装于龙门架上，通过龙门架在预设轨道上的纵向移动和打印机在横梁上的横向移动使喷头在打印过程中精确勾勒出构件的轮廓，同时在打印喷头的侧面安装有用于修饰打印构件表面的泥刀，通过物理切割的方式将打印出的混凝土表面不平整的地方抹平，以此来修整打印墙体及建筑构件表面不平整的现象。该工艺的优点在于泥刀可以自动调节，在调节泥刀的机械臂上安装有感应系统，通过对打印构件表面的扫描自动调节泥刀的角度按照电脑设计的外形要求改善打印构件的表面状态；由于泥刀是安装在喷头外侧的，因此可以根据建筑装饰的需要进行单侧或者双侧的表面修改以此达到设计对于建筑表面纹理的要求。

轮廓工艺受“油墨”材料本身的性质影响较大，由于泥刀是附加在喷嘴两端的，所以只能在打印材料打印出来的短暂时间内起到固定形态的作用，但是混凝土材料具有一定的流动[2]性和凝结时间，在这段时间内必然会有坍落度，而且坍落度的大小直接影响建筑构件的表面形态，坍落度又受材料性能及配合比的影响，关于这个问题的解决，轮廓工艺并不彻底；还有一个问题就是泥刀切割在一定程度上产生了建筑材料的浪费，受3D打印技术—“增材制造”工艺本身特性的影响，建筑打印由于高度及构件形体的因素，打印过程中泥刀将切下大量混凝土材料，在一定程度上造成了材料的浪费，此外用于3D打印的混凝土材料本身就属于高性能材料，目前生产成本较高，一定程度上增加了建筑成本。

2 D-shape

意大利的工程师恩瑞克·蒂尼发明了世界上首台以细骨料和胶凝材料为打印材料的大型3D打印机——D-shape，这种打印机是通过改变打印机喷出的“油墨”以及不同于其他打印方式的新式成型方式，成功解决了打印过程中出现的打印构件表面不平整不光滑的问题。该3D打印机的打印头底部有数百个喷嘴，当打印机开始工作的时候，这些喷嘴会喷出镁质黏合物，将砂子喷撒在黏合物上逐渐铸成石质固体，并形成特定的形状，最终形成石质建筑物。D-Shape打印机从建筑物底部开始，沿着龙门架支撑的水平横梁和四个垂直柱往返移动。整个打印过程由计算机操控，打印完成后的建筑体质地类似于大理石，这种新型材料比混凝土强度更高，不需要内置钢筋进行加固[2]。同时不同于混凝土材料具有流动性并且需要必要的凝结时间来达到一定的强度，所以在施工过程中不会发生变形，也不会受到坍落度的影响，以一种新型的打印方式解决了3D打印建筑表面不平整的问题,同时这种技术最大的优点在于可以更好的实现设计图纸的要求，拥有更高的打印精度，速度和更低的成本。

这种技术的问题在于没有使用混凝土作为建筑材料，同时由于镁质黏合物与砂铸成的石质固体材料属性上与石材相近，在建造过程中无法解决配筋问题，建筑整体性得不到保障，建筑高度依然受到限制，建筑史上正是由于钢筋混凝土的使用才打破了传统建筑材料对建筑高度的限制，该技术特点类似于使用了新型的高强度人工石材，从建造技术来看配筋问题依然得不到解决，适用范围较小。

3 新型纹理修复工艺

该新型修复工艺的应用是通过一种新型的3D打印建筑喷头实现的，此工艺通过补喷浆液并在修补喷头前后两侧添加滚轮实现纹理修补，可有效解决3D打印过程中出现的不平整问题。该喷头包括与打印机相连接的供喷头总成来回滑动的导轨和与所述导轨滑动连接的喷头,所述喷头包括打印装置,控制所述打印装置沿导轨滑动的驱动装置,以及安装在所述驱动装置下方用于修正打印成型物料侧面平整度的修补装置。本发明通过在成型盒两侧安装有用于整平打印建筑侧面的滚轮,并在滚轮之间设置有进一步对打印过程中产生的层纹进行填补的修补[3]。

3.1 工作特点

这种新型打印装置工作状态下需要预先铺设供打印装置移动的导轨，整个打印装置通过水平滑移电机和水平偏转电机进行调整，以满足打印的需求。该装置对于层纹的修补方式主要依赖于安装在打印喷头侧面的修补装置，为了保证修补效果，该装置的修补需要在打印材料未硬化之前进行修补，修补装置由滚轮和滚轮之间的修补喷头共同作用对打印件表面进行平整处理，修补喷嘴的前后两侧各有一个滚轮，前侧滚轮可对打印件的层纹挤压推平，但是由于层纹处浆体材料有限挤压过后的表面可能不均匀，甚至存在凹凸不平，此时修补喷头便可喷出足够的浆料补平，再由后面的滚轮碾压平整，以此方法来消除层纹，满足表面平整度的要求。该打印装置在打印过程中可以很好的满足平整度的要求，同时在修正打印件表面层纹的时候无形之中增加了构件厚度，提高了构件的承载能力，同时提高了打印建筑的安全性。

3.2 改进措施

该装置的主要缺点是整个打印装置的移动必须依赖于导轨，然而导轨的铺设存在线路长短及弯曲问题，及导轨的固定以及导轨整体的爬升都存在严重问题。受导轨整体攀爬难度的限制将严重降低打印效率。因此，我们可以拆除导轨，将导轨装置换成龙门架，同时也可以去掉水平滑移电机和水平偏转电机，将整个打印集成喷头装置安装于悬挂杆下。在龙门架支持下在空间坐标系的变换下，产生平面层的堆积，最终产生不同类型的建筑结构。龙门架在轮廓工艺和D-Shape中都表现出其优越性，通过龙门架与该集成喷头的结合可充分发挥3D打印技术在建筑领域的优势。

4 结语

3D打印技术在建筑领域的应用由于时间短、工程实践少，依然存在许多问题，但是其优点是明确的，也是值得探讨的。本文通过对现有层纹修补技术的分析，引入新型修补工艺并提出改进措施，可有效解决表面平整度的问题。我们应该通过不断地研究与论证，尽可能大的发挥3D技术的优越性，将其优越性与建筑行业密切结合，带动建筑行业的发展，同时在实践中推广应用，通过实践来检验存在的问题，不断探索不断进步。