超大尺度3D打印景观桥制造技术研究*

陆承麟，陈晓明，龚 明，周 鸣

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

近年来，我国3D打印技术市场应用程度不断深化，已应用于航空航天、汽车、船舶、核工业、模具等领域。2017—2019年，我国3D打印产业规模逐年增加，增加速度略快于全球整体水平，且产业规模在全球的占比不断增大。根据《2019年全球及中国3D打印行业数据》，2019年我国3D打印产业规模为157.5亿元，较2018年增加31.1%。

相对来说，在科技覆盖率较低的建筑行业中，3D打印的应用较少。随着建筑行业面临人工短缺、工期紧迫及预算限制等问题，正在寻求新的创新制造方式予以解决。超大尺度3D打印技术涉及多学科，包括结构工程、材料科学、机电一体化、软件工程、人工智能和建筑工程等。建筑领域超大尺度3D打印为提高施工效率、降低制造成本提供了巨大潜力，主要体现在以下方面。

1)制造速度快

3D打印多个先期应用案例已表明，建筑物可在数天内完成建造，较传统施工工艺速度快，可缩短约60%的工期，减少约80%的劳动力。

2)减少建筑垃圾

目前，全球建筑垃圾总量持续增加，3D打印技术虽无法解决所有的建筑垃圾问题，但可有效减少建造过程中建筑垃圾的产生。这主要是因为3D打印技术采用增材制造工艺，仅使用创建结构所需的材料。当与其他减少浪费的工艺、方法(如预制和精益建筑)相结合时，有利于实现零碳排放建筑。

3)设计自由度高

3D打印优点之一是提高了设计自由度，建筑师能够完成复杂的设计。由于昂贵的造价或需求过高的劳动力，无法通过传统建造方式完成，3D打印可使建筑领域实现更多的创造力。

但增材制造存在一些缺陷，如在产品几何尺寸精度和表面光洁度方面存在部分问题。为此，可采用增减材一体化技术，在同一加工空间内制造具有特殊几何构型或特殊材料的零件，在近净成形阶段由增材制造承担，而后期的精加工与表面处理由传统的减材加工承担。在同台设备上完成所有加工制造工序，不仅避免了在多平台加工时工件夹持与取放带来的误差积累，提高了制造精度与生产效率，还原了建筑设计理念，又节省了空间，降低了制造成本。

1 “流云桥”设计理念

“流云桥”位于成都市驿马河公园内，横跨曲水坊景观湖，为3D打印景观桥(见图1)。桥梁形态设计理念源于驿马河区域内欢快流淌的小溪，流动曲线自由灵动，酷似丝带的抽象形态，伴随着光影的变幻，产生极具艺术感的视觉享受，同时满足桥梁对功能和空间的要求。

图1 项目效果

进行“流云桥”模型参数化设计，使桥梁扶手及外部形态体现出流动性，通过采用先进的3D打印技术，基于有机、自然概念，使桥梁更好地融入周围自然景观中。“流云桥”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，如图2所示。

图2 “流云桥”扶手形态

2 打印材料选择

由于“流云桥”为户外人行景观桥，对材料耐候性的要求较高。在开展实验室自然老化与加速老化试验中，研究ASA工程塑料颜色、力学性能与老化时间的关系，衡量材料耐候性后，优选ASA(丙烯酸酯类橡胶体与丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物)工程树脂材料作为打印材料的基材。ASA工程塑料具有良好的机械物理性能，与ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)工程塑料结构相似，在保留ABS工程塑料良好机械物理性能的同时，增强了耐候性。辅材同时复合高含量玻璃纤维、阻燃剂、流动强化剂等，结合纤维增强聚合物基复合材料引入原位反应加工技术，使复合材料在熔融加工过程中通过界面反应，实现纤维相与树脂相的高效结合，提高复合材料整体性能。材料制备完成后，通过力学性能测试，直接有效表征复合材料性能，对比分析原位反应前后复合材料注塑件力学性能，衡量原位反应加工效果，相关数据如表1所示。

3 打印设备

自主研发“流云桥”打印设备，由高精度龙门式运动平台、大挤出量3D打印喷头、自动供料系统、辅助配套设施组成。经过实际工程应用，对该设备进行了多次硬件系统及软件系统迭代。

为避免打印过程中产生残余应力和翘曲问题，影响现场拼接精度及最终桥体外观，在采用增材制造技术的同时引入减材制造技术，采用5轴联动计算机数控技术进行端面铣削，保证最终成品精度。5轴联动加工头为hiTECOA/C双摆头，可满足A，C轴自由旋转要求，最大转速可达100 000r/min。

表1 ASA原位反应加工技术性能对照

加工工作台为3块铸钢件，通过调节地脚螺栓配合千分表进行打平操作，整体平整度控制为±0.05mm。整套设备打印范围为15m×4m×1.5m(长×宽×高)，稳定运动速度为10 000mm/min，定位精度为±0.1mm，打印速度为12kg/h，打印喷头直径为5～8mm，打印系统连续稳定工作时间≥720h，加工精度为IT8(中高精度)。

4 打印工艺

“流云桥”采用分段打印、端面计算机数控、现场安装的总体技术路线，将造型复杂的桥体分为20段进行熔融沉积成型，形成分段打印构件，将独立的打印构件通过机械连接的方式与承重构件钢箱梁进行可靠连接，两两拼接分段打印构件，拼接后需进行防水嵌缝处理。

根据已进行的超大尺度高分子复合材料3D打印工艺测试，在打印超大尺度构件时，残余应力和翘曲的影响会被放大，进而影响拼接精度。为此，对所有分段构件进行重新定义，将预估翘曲量加至每段打印构件中，作为下阶段5轴联动计算机数控的加工量，将预留的顶层和底部翘曲量通过计算机数控编程操作的切削后，彻底消除打印过程中翘曲问题带来的拼接精度损失。

3D打印流程如下：首先通过专用造型参数化设计软件将设计师对“流云桥”的设计理念融入桥身、扶手及内部肌理中；然后根据设备加工区域，将整桥均匀分段(见图3)，采用专业结构分析软件对各桥段预设计路径进行力学分析；最后进行结构拓扑优化(见图4)。

图4 拓扑优化后的打印轨迹

图3 桥段划分

通过轨迹偏移补偿算法增加错层高度和横向重叠量，提高打印构件在外壁结构的横向与纵向黏结力，保证打印构件储热能沉积的能力，使挤出材料温度长时间位于玻璃化温度之上，大大减少了构件翘曲和变形。生成打印轨迹后，在数字化制造车间完成打印工作，如图5所示。

图5 现场打印

分段构件加工时将各段上下端面预留的热变形量进行铣削(见图6)，为最大化提高工作效率，采用高转速平面铣刀盘，结合提取打印端面轨迹工艺，使刀具实时按照打印路径进行加工，尽量避免出现加工空刀的情况，大大缩短加工时间。

图6 分段构件断面铣削

5 打印构件质量判别

由于目前没有专门针对超大尺度增减材一体化技术评定及打印构件打印效果标准化检验规范，通过引入打印温度场控制技术及激光点云扫描合模技术，对打印构件质量进行判别。

构件自身储热能力越强，温度高于玻璃化温度的时间越长，与上、下层及外界的热交换越充分，引起的变形量越小，越不易发生翘曲和开裂。为此，在“流云桥”打印期间，引入高分辨率红外热成像全景摄像头，对温度场情况进行观察(见图7)，实时记录打印区间各处温度数据，并收入热历史数据库，方便与常规打印质量较好的构件相关数据进行横向对比，确认构件最终打印质量。

图7 红外热成像温度场

对于打印完成的构件，小型建筑景观部件采用手持三维扫描仪进行检测，主要用于桌面机打印构件及小型打印构件的扫描。手持扫描仪扫描得到点云模型后，直接通过配套软件生成STL三角面片模型，与原设计模型进行对比。

对于超大尺度构件，应用莱卡激光点云扫描技术，生成构件点云模型(见图8)，提取相关参数后与原设计模型进行对比，并进行合模碰撞检测。通过色阶图量化误差(见图9)，指导5轴联动计算机数控构件余量加工工作，以完成现场拼装。

图8 激光点云扫描

图9 色阶图量化误差

6 现场安装效果

根据预先规划的位置安装、固定景观桥分段构件，小段之间采用双组分高强度高耐候性结构胶进行高精密拼接，大段之间采用机械固定可伸展的安装方式，在保证各大段安装稳定的情况下，预留温差造成的变形空间。

7 结语

“流云桥”打印时间为30d，加工时间为15d，大大降低了时间成本与人工成本，取得良好的打印效果。利用超大尺度增减材一体化技术完成“流云桥”打印建造，通过造型参数化设计、结构拓扑优化、3D打印路径算法优化及现场安装质量控制，使该桥具有自由灵动的曲线形态。此次工程实践验证了超大尺度增减材一体化技术与5轴联动计算机数控技术的结合，可满足空间异形建(构)筑物造型需求，是我国当前建筑工程领域运用增减材制造技术，将设计蓝图转变为实物，并投入实际使用的首次尝试，对未来采用超大尺度高分子复合材料增减材制造方案的建筑项目发挥指导性作用。

创新性地将三维激光扫描设备与温度场检测设备相结合，从物理及化学层面对打印构件质量进行横向评定，通过扫描模型与原设计模型尺寸及打印过程中热历史数据的横向对比，判断打印构件质量，为超大尺度打印构件质量评定标准化奠定基础。