超大尺度高分子复合材料3D打印技术研发与应用*

陈晓明，陆承麟,3，龚 明，周 鸣,3

(1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；2.上海面向典型建筑应用机器人工程技术研究中心，上海 200072；3.上海市机械施工集团有限公司，上海 200072；4.上海园林绿化建设有限公司，上海 200333)

0 引言

3D打印技术即快速成型技术，也称为增材制造技术，以数字模型文件为基础，采用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通常采用数字技术材料打印机，通过逐层打印的方式构造物体。3D打印无须使用专用工具即可制造零件，生产成本相对较低，可实现原型、小批量生产和一次性定制。

2019年，全球3D打印市场主要产值来源包括3D打印系统设备、软件、材料和服务，但不包括公司内部的投资。在未来几年中，分析师预计3D打印市场将以平均24%的复合年增长率增长，至2024年产值预计达350亿美元。

3D打印市场需求中，超过65%的用户从事工业、电子或消费品开发专业。3D打印已在航空航天、汽车和医疗领域得到一定应用，替代了部分较落后的技术。

相比之下，3D打印在建筑领域的应用处于起步阶段，国内高校、研究院联合建筑单位正在研制和开发3D打印建筑技术，从建造逻辑、结构形式、建造技术方面与传统建造方式进行对比，从理论上分析论证3D打印建筑技术的可行性和应用趋势，依据问题和局限性提出应对策略，逐渐替代部分传统工艺。而通常情况下，建筑构件尺寸较大，常规桌面级3D打印产能与打印尺寸均无法满足实际要求，针对建筑领域的超大尺度高分子复合材料3D打印技术应运而生，其与常规桌面打印熔丝制造技术的区别如表1所示。

表1 超大尺度高分子复合材料3D打印技术与常规桌面打印熔丝制造技术的区别

1 高分子复合材料研究

超大尺度高分子复合材料3D打印技术可缩短原材料加热周期，降低成本，且打印性能更好。应用于建筑领域的高分子复合材料需具有高机械性能、高耐候性、高稳定性、高阻燃性，且应可回收利用，满足绿色环保要求。由于采用全新的材料加工方式，高分子复合材料需选用热塑性聚合物，其特有的长链结构在熔融成型过程中，受分子链构象调整和链段运动速度的影响，无法完全释放材料内应力，将导致打印构件存在翘曲、开裂、层间脱节等质量隐患。因此，需对材料进行系统性研究，得到满足建筑使用的数据，以指导实际工程。

1.1 机械性能

为满足应用场景的力学性能需求，需对熔融沉积后的材料拉伸及弯曲模量、缺口冲击强度、线性膨胀系数等性能参数进行测试，并收集测试数据。测试时需采用单一控制变量原则，保持其他打印参数不变，打印样条标准式样如图1所示，取样后借助专用流变仪、拉伸应变仪进行破坏测试，放入专用温度应变测试仪中测试线性膨胀系数。所有样条完成测试后，取加权平均值得到最终机械性能数据。

图1 打印样条标准式样

多次测试结果表明，样条xy向(水平方向)线性膨胀系数较小，而z向(竖直方向)较大，这是因为xy向为连续打印方向，复合材料分子链结构较稳定，而样条沿z向通过热应力黏结，样条自身热量主要向竖直方向扩散。样条z向力学性能较差，通常将竖直方向拉伸与弹性模量(层间结合力)作为衡量打印质量的重要指标。

1.2 耐候性

耐候性研究内容主要为复合材料分子式中弱键发生的化学反应(如氧化反应)及其引发的一系列反应，如泛黄、相对分子质量下降、制品表面龟裂、光泽丧失、力学性能下降等，从而影响高分子复合材料制品的正常使用。材料耐候性对建筑构件至关重要，通常采用自然老化及氙灯/紫外灯加速老化测试材料耐候性，其中自然老化测试结果吻合性更强，但由于测试周期较长，已逐渐被淘汰。因模拟自然光的加速老化测试方法(氙灯/紫外灯加速老化测试)与3D打印特性更匹配，得到了广泛应用。

测试时将样条放入高温或高湿度老化试验箱一段时间后，测试相关力学性能数据，从而得出材料抗紫外老化力学性能保留率，并对相关数据进行横向对比。

1.3 打印稳定性

采用原位反应加工技术制备而成的颗粒料，由于复合了纤维及多种助剂、辅材，仍需进行实际挤出与打印测试，根据初始熔融温度自然降至环境温度的材料状态，验证材料配合比的正确性及3D打印稳定性。热塑性树脂中的非结晶材料普遍较稳定，而结晶材料由于自身存在双玻璃化温度，熔融挤出后因分子链运动导致结构发生变化，易产生线条裂变，如图2所示。如有打印线条裂变、不光泽、颜色发生明显变化等现象发生，说明高分子复合材料打印稳定性较差，需对添加的纤维及助剂、辅材用量及种类进行变动。

2 打印设备研究

超大尺度高分子复合材料3D打印设备主要由运动机构、高流量挤出装置、配套辅助系统、控制系统等组成。整套设备打印空间范围为15m×4m×1.5m，稳定运动速度为10 000mm/min，定位精度为±0.1mm，打印速度为12kg/h，打印头口模直径为5～8mm，可验证的打印系统连续稳定工作时长≥720h。

2.1 运动机构

为实现超大尺度构件打印，可采用龙门式或机械臂式运动机构，如图3所示。

针对建筑领域的实际应用需求，采用龙门式运动机构。根据打印构件、功能区域尺寸要求，确定打印设备加工制作空间尺寸。综合考虑大部分建筑结构部件尺寸、模板打印与拼装普遍需求、打印构件自底板取出并装车的便捷性、运输过程安全性与经济性、打印工艺深度研发需求等，确定运动机构x轴龙门行程为24m，y轴龙门行程为4m，z轴龙门行程为2.5m。

打印设备采用动横梁式龙门，内部加工净宽为4m，对横梁变形要求高，因此设计时需对横梁进行结构验算与仿真分析。采用由齿轮、齿条驱动龙门移动的数控机床，由固定工作台、x轴移动龙门、y轴移动拖板及z轴移动拖板组成。

2.2 高流量挤出装置

高流量挤出装置是3D打印核心装备之一，考虑到挤出机需安装在龙门滑枕上，质量越小越好，以便控制打印精度，因此对挤出装置进行不断改进，最终设计出大型立式单螺杆挤出机，包括传动装置、加料装置、料筒、螺杆、加热装置、口模。单螺杆挤出机结构简单可靠，坚固耐用，操作简单，塑料原料进入料筒后，通过加热套对原料进行加热融化，挤出螺杆将融化后的原料通过动力输出端挤出口模。

第1代1kg级挤出装置如图4所示，适用于机械臂式运动机构，但由于常规建筑构件体量较大，如采用该装置，打印耗时较长，且由于产量较小，相关打印构件性能指标较差，无法满足实际应用需求。

图4 第1代挤出装置

对挤出系统地螺杆及内部传动机构进行了迭代升级，同时对挤出系统进料装置进行了创新，研发出第2代挤出装置，大大提升了挤出产量及稳定性，如图5所示。

为解决3D打印原料挤出量大时，打印原料遇到的成型不稳定、层间黏结能力差、质地不均匀等问题，研发出材料流态控制系统，主要包括安装底座、拍打板、电机安装底座、传动装置、传动杆和导向装置等。

将产量提升至20kg/h，并对挤出系统与数控系统交互及联动控制进行了升级，将打印工艺控制内容加至挤出装置自动化控制中，研发出了第3代高流量挤出装置，如图6所示。新增无极变速控制，即针对单圈长度不同，控制单层打印时间不变，更改挤出装置产量及设备系统运动速度，保障了整个打印构件温度场。采用第3代高流量挤出装置打印的构件层间结合力较大，大大提高了产品质量。

图6 第3代挤出装置

2.3 控制系统

龙门设备均采用主、从驱动同步耦合进行轴控制，2个伺服电机共同承担荷载。通过扭矩补偿控制器实现伺服电机之间的扭矩平衡分配，并根据伺服电机具体性能分配相应的负载扭矩。

因齿轮间隙问题导致长行程的精度损失，在数控系统中引入双电机反向消隙功能，2个电机通过齿轮与赤道仪的主齿轮啮合，并按双电机消隙控制曲线进行驱动，,不会出现2个电机输出转矩同时为零的情况。

3 数字化打印工艺

3D打印作为智能建造的重要技术之一，离不开数字化的工艺流程，涵盖数字化设计与数字化加工，3D打印数字化工艺流程如图7所示。

图7 3D打印数字化工艺流程

3.1 拓扑优化

规划出符合力学性能要求的晶格分布，根据晶格分布规划出适合超大尺度3D打印路径模型，如图8所示。通过路径模型逆向模拟出构件理论打印模型，根据打印材料性能参数进行强度分析，验证构件强度是否满足要求。拓扑优化填充率一般设为10%～20%，大大节省了打印用料，降低了打印成本，且成型后的模型满足应用场景力学性能要求。

图8 打印路径模型

3.2 质量稳态控制

可通过控制环境温度、材料熔融温度、玻璃化温度、单层打印时间等打印工艺参数解决打印构件由于迅速降温导致的翘曲及变形过大的问题，揭示打印构件层间黏结力和打印温度场的关系及不同材料打印界面层温度控制值与玻璃化温度的关系，实现层间黏结力达材料强度的60%。

3.3 重叠打印控制

进行横向及纵向刀偏补偿，在外壁路径控制参数中新增错层高度和横向重叠量，提高了打印构件在外壁结构的横向与纵向黏结力，保障了打印构件储热能沉积能力，使挤出材料温度长时间位于玻璃化温度之上，大大减小了构件翘曲和变形，在很大程度上提升了构件整体力学性能，且双道或多道外壁之间的层间结合更好，多道轮廓间无空隙，如图9所示。

图9 重叠打印示意

3.4 打印构件质量评定

创新性地借助三维扫描设备与温度场检测设备，从物理及化学层面对打印构件质量进行评定，通过对比扫描模型与原设计模型尺寸误差及打印过程中热历史数据，判断打印构件质量是否满足要求，为超大尺度打印构件质量评定标准化奠定基础。

4 工程应用

4.1 大型景观桥

3D打印景观桥“流云桥”位于成都桃都大道东段驿马河公园曲水坊景观湖之上，全长22.5m，宽2.6m，高2.7m，桥梁形态设计灵感来源于驿马河区域内自由奔腾的河流，似丝绸之路在面前展开。一面扶手设计为“一山连两翼”的形式，另一面扶手设计为“两山夹一城”的形式，使其更好地融入周围自然景观中，如图10所示。造型优美的“流云桥”历时45d完成打印，打印加工过程均为自动化，大大减少了人工投入。与传统开钢模制造异形造型的桥梁相比，节约50%以上的工期与成本。

图10 成都3D打印“流云桥”实景

4.2 异形混凝土模板

随着个性化设计的深入，异形混凝土模板的需求量越来越大。将超大尺度高分子复合材料3D打印技术应用于异形混凝土模板打印，具有制造工艺简单、生产周期快、节省人工等优势，如图11所示。

图11 异形混凝土模板

4.3 景观小品

对城市园林景观功能的要求已从追求外在的形象整洁美观，转向城市生态功能提升、自然资源保护、城市生态安全保障及城市可持续发展能力提升等。采用超大尺度高分子复合材料3D打印技术建造的景观小品自带美观造型，兼具多功能性，如图12所示。

图12 3D打印一体式休憩亭

5 结语

本文对超大尺度高分子复合材料3D打印技术在建筑领域的应用进行了介绍，对已有技术、设备等进行了总结，为3D打印技术的进一步应用提供参考。超大尺度高分子复合材料3D打印技术可大大降低周期与成本，体现了环境友好、资源节约的绿色施工理念，经济、社会效益显著。

1)应用于建筑领域的高分子复合材料需具有高机械性能、高耐候性、高稳定性、高阻燃性，且应可回收利用，满足绿色环保要求。以树脂材料作为基材，以纤维为增强材料，采用原位反应加工技术，可研发适合于超大尺度构件增材制造的高分子复合材料。

2)对打印设备进行研究，龙门式运动机构具有高流量、自稳定、高精度等特性，材料流态控制系统可解决打印原料成型不稳定、层间黏结能力差、质地不均匀等问题。

3)对数字化打印工艺进行介绍，可通过拓扑优化节省打印用料，可通过控制环境温度、材料熔融温度、玻璃化温度、单层打印时间等打印工艺参数解决打印构件由于迅速降温导致的翘曲及变形过大的问题，可在外壁路径控制参数中新增错层高度和横向重叠量。

4)可借助三维扫描设备与温度场检测设备，从物理及化学层面对打印构件质量进行评定，为超大尺度打印构件质量评定标准化奠定基础。