陸承麟，陳曉明，龔 明，周 鳴

(1.上海建工集團股份有限公司，上海 200080；2.上海市機械施工集團有限公司，上海 200072；3.上海面向典型建筑應(yīng)用機器人工程技術(shù)研究中心，上海 200072；4.上海園林綠化建設(shè)有限公司，上海 200333)

0 引言

3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)，也稱為增材制造技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通常采用數(shù)字技術(shù)材料打印機，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。

近年來，我國3D打印技術(shù)市場應(yīng)用程度不斷深化，已應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、核工業(yè)、模具等領(lǐng)域。2017—2019年，我國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年增加，增加速度略快于全球整體水平，且產(chǎn)業(yè)規(guī)模在全球的占比不斷增大。根據(jù)《2019年全球及中國3D打印行業(yè)數(shù)據(jù)》，2019年我國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為157.5億元，較2018年增加31.1%。

相對來說，在科技覆蓋率較低的建筑行業(yè)中，3D打印的應(yīng)用較少。隨著建筑行業(yè)面臨人工短缺、工期緊迫及預(yù)算限制等問題，正在尋求新的創(chuàng)新制造方式予以解決。超大尺度3D打印技術(shù)涉及多學(xué)科，包括結(jié)構(gòu)工程、材料科學(xué)、機電一體化、軟件工程、人工智能和建筑工程等。建筑領(lǐng)域超大尺度3D打印為提高施工效率、降低制造成本提供了巨大潛力，主要體現(xiàn)在以下方面。

1)制造速度快

3D打印多個先期應(yīng)用案例已表明，建筑物可在數(shù)天內(nèi)完成建造，較傳統(tǒng)施工工藝速度快，可縮短約60%的工期，減少約80%的勞動力。

2)減少建筑垃圾

目前，全球建筑垃圾總量持續(xù)增加，3D打印技術(shù)雖無法解決所有的建筑垃圾問題，但可有效減少建造過程中建筑垃圾的產(chǎn)生。這主要是因為3D打印技術(shù)采用增材制造工藝，僅使用創(chuàng)建結(jié)構(gòu)所需的材料。當與其他減少浪費的工藝、方法(如預(yù)制和精益建筑)相結(jié)合時，有利于實現(xiàn)零碳排放建筑。

3)設(shè)計自由度高

3D打印優(yōu)點之一是提高了設(shè)計自由度，建筑師能夠完成復(fù)雜的設(shè)計。由于昂貴的造價或需求過高的勞動力，無法通過傳統(tǒng)建造方式完成，3D打印可使建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多的創(chuàng)造力。

但增材制造存在一些缺陷，如在產(chǎn)品幾何尺寸精度和表面光潔度方面存在部分問題。為此，可采用增減材一體化技術(shù)，在同一加工空間內(nèi)制造具有特殊幾何構(gòu)型或特殊材料的零件，在近凈成形階段由增材制造承擔，而后期的精加工與表面處理由傳統(tǒng)的減材加工承擔。在同臺設(shè)備上完成所有加工制造工序，不僅避免了在多平臺加工時工件夾持與取放帶來的誤差積累，提高了制造精度與生產(chǎn)效率，還原了建筑設(shè)計理念，又節(jié)省了空間，降低了制造成本。

1 “流云橋”設(shè)計理念

“流云橋”位于成都市驛馬河公園內(nèi)，橫跨曲水坊景觀湖，為3D打印景觀橋(見圖1)。橋梁形態(tài)設(shè)計理念源于驛馬河區(qū)域內(nèi)歡快流淌的小溪，流動曲線自由靈動，酷似絲帶的抽象形態(tài)，伴隨著光影的變幻，產(chǎn)生極具藝術(shù)感的視覺享受，同時滿足橋梁對功能和空間的要求。

圖1 項目效果

進行“流云橋”模型參數(shù)化設(shè)計，使橋梁扶手及外部形態(tài)體現(xiàn)出流動性，通過采用先進的3D打印技術(shù)，基于有機、自然概念，使橋梁更好地融入周圍自然景觀中?！傲髟茦颉币幻娣鍪衷O(shè)計為“一山連兩翼”的形式，另一面扶手設(shè)計為“兩山夾一城”的形式，如圖2所示。

圖2 “流云橋”扶手形態(tài)

2 打印材料選擇

由于“流云橋”為戶外人行景觀橋，對材料耐候性的要求較高。在開展實驗室自然老化與加速老化試驗中，研究ASA工程塑料顏色、力學(xué)性能與老化時間的關(guān)系，衡量材料耐候性后，優(yōu)選ASA(丙烯酸酯類橡膠體與丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物)工程樹脂材料作為打印材料的基材。ASA工程塑料具有良好的機械物理性能，與ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物)工程塑料結(jié)構(gòu)相似，在保留ABS工程塑料良好機械物理性能的同時，增強了耐候性。輔材同時復(fù)合高含量玻璃纖維、阻燃劑、流動強化劑等，結(jié)合纖維增強聚合物基復(fù)合材料引入原位反應(yīng)加工技術(shù)，使復(fù)合材料在熔融加工過程中通過界面反應(yīng)，實現(xiàn)纖維相與樹脂相的高效結(jié)合，提高復(fù)合材料整體性能。材料制備完成后，通過力學(xué)性能測試，直接有效表征復(fù)合材料性能，對比分析原位反應(yīng)前后復(fù)合材料注塑件力學(xué)性能，衡量原位反應(yīng)加工效果，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

3 打印設(shè)備

自主研發(fā)“流云橋”打印設(shè)備，由高精度龍門式運動平臺、大擠出量3D打印噴頭、自動供料系統(tǒng)、輔助配套設(shè)施組成。經(jīng)過實際工程應(yīng)用，對該設(shè)備進行了多次硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)迭代。

為避免打印過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力和翹曲問題，影響現(xiàn)場拼接精度及最終橋體外觀，在采用增材制造技術(shù)的同時引入減材制造技術(shù)，采用5軸聯(lián)動計算機數(shù)控技術(shù)進行端面銑削，保證最終成品精度。5軸聯(lián)動加工頭為hiTECOA/C雙擺頭，可滿足A，C軸自由旋轉(zhuǎn)要求，最大轉(zhuǎn)速可達100 000r/min。

表1 ASA原位反應(yīng)加工技術(shù)性能對照

加工工作臺為3塊鑄鋼件，通過調(diào)節(jié)地腳螺栓配合千分表進行打平操作，整體平整度控制為±0.05mm。整套設(shè)備打印范圍為15m×4m×1.5m(長×寬×高)，穩(wěn)定運動速度為10 000mm/min，定位精度為±0.1mm，打印速度為12kg/h，打印噴頭直徑為5～8mm，打印系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作時間≥720h，加工精度為IT8(中高精度)。

4 打印工藝

“流云橋”采用分段打印、端面計算機數(shù)控、現(xiàn)場安裝的總體技術(shù)路線，將造型復(fù)雜的橋體分為20段進行熔融沉積成型，形成分段打印構(gòu)件，將獨立的打印構(gòu)件通過機械連接的方式與承重構(gòu)件鋼箱梁進行可靠連接，兩兩拼接分段打印構(gòu)件，拼接后需進行防水嵌縫處理。

根據(jù)已進行的超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印工藝測試，在打印超大尺度構(gòu)件時，殘余應(yīng)力和翹曲的影響會被放大，進而影響拼接精度。為此，對所有分段構(gòu)件進行重新定義，將預(yù)估翹曲量加至每段打印構(gòu)件中，作為下階段5軸聯(lián)動計算機數(shù)控的加工量，將預(yù)留的頂層和底部翹曲量通過計算機數(shù)控編程操作的切削后，徹底消除打印過程中翹曲問題帶來的拼接精度損失。

3D打印流程如下：首先通過專用造型參數(shù)化設(shè)計軟件將設(shè)計師對“流云橋”的設(shè)計理念融入橋身、扶手及內(nèi)部肌理中；然后根據(jù)設(shè)備加工區(qū)域，將整橋均勻分段(見圖3)，采用專業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件對各橋段預(yù)設(shè)計路徑進行力學(xué)分析；最后進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化(見圖4)。

圖4 拓撲優(yōu)化后的打印軌跡

圖3 橋段劃分

通過軌跡偏移補償算法增加錯層高度和橫向重疊量，提高打印構(gòu)件在外壁結(jié)構(gòu)的橫向與縱向黏結(jié)力，保證打印構(gòu)件儲熱能沉積的能力，使擠出材料溫度長時間位于玻璃化溫度之上，大大減少了構(gòu)件翹曲和變形。生成打印軌跡后，在數(shù)字化制造車間完成打印工作，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場打印

分段構(gòu)件加工時將各段上下端面預(yù)留的熱變形量進行銑削(見圖6)，為最大化提高工作效率，采用高轉(zhuǎn)速平面銑刀盤，結(jié)合提取打印端面軌跡工藝，使刀具實時按照打印路徑進行加工，盡量避免出現(xiàn)加工空刀的情況，大大縮短加工時間。

圖6 分段構(gòu)件斷面銑削

5 打印構(gòu)件質(zhì)量判別

由于目前沒有專門針對超大尺度增減材一體化技術(shù)評定及打印構(gòu)件打印效果標準化檢驗規(guī)范，通過引入打印溫度場控制技術(shù)及激光點云掃描合模技術(shù)，對打印構(gòu)件質(zhì)量進行判別。

構(gòu)件自身儲熱能力越強，溫度高于玻璃化溫度的時間越長，與上、下層及外界的熱交換越充分，引起的變形量越小，越不易發(fā)生翹曲和開裂。為此，在“流云橋”打印期間，引入高分辨率紅外熱成像全景攝像頭，對溫度場情況進行觀察(見圖7)，實時記錄打印區(qū)間各處溫度數(shù)據(jù)，并收入熱歷史數(shù)據(jù)庫，方便與常規(guī)打印質(zhì)量較好的構(gòu)件相關(guān)數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ?，確認構(gòu)件最終打印質(zhì)量。

圖7 紅外熱成像溫度場

對于打印完成的構(gòu)件，小型建筑景觀部件采用手持三維掃描儀進行檢測，主要用于桌面機打印構(gòu)件及小型打印構(gòu)件的掃描。手持掃描儀掃描得到點云模型后，直接通過配套軟件生成STL三角面片模型，與原設(shè)計模型進行對比。

對于超大尺度構(gòu)件，應(yīng)用萊卡激光點云掃描技術(shù)，生成構(gòu)件點云模型(見圖8)，提取相關(guān)參數(shù)后與原設(shè)計模型進行對比，并進行合模碰撞檢測。通過色階圖量化誤差(見圖9)，指導(dǎo)5軸聯(lián)動計算機數(shù)控構(gòu)件余量加工工作，以完成現(xiàn)場拼裝。

圖8 激光點云掃描

圖9 色階圖量化誤差

6 現(xiàn)場安裝效果

根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的位置安裝、固定景觀橋分段構(gòu)件，小段之間采用雙組分高強度高耐候性結(jié)構(gòu)膠進行高精密拼接，大段之間采用機械固定可伸展的安裝方式，在保證各大段安裝穩(wěn)定的情況下，預(yù)留溫差造成的變形空間。

7 結(jié)語

“流云橋”打印時間為30d，加工時間為15d，大大降低了時間成本與人工成本，取得良好的打印效果。利用超大尺度增減材一體化技術(shù)完成“流云橋”打印建造，通過造型參數(shù)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、3D打印路徑算法優(yōu)化及現(xiàn)場安裝質(zhì)量控制，使該橋具有自由靈動的曲線形態(tài)。此次工程實踐驗證了超大尺度增減材一體化技術(shù)與5軸聯(lián)動計算機數(shù)控技術(shù)的結(jié)合，可滿足空間異形建(構(gòu))筑物造型需求，是我國當前建筑工程領(lǐng)域運用增減材制造技術(shù)，將設(shè)計藍圖轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨?，并投入實際使用的首次嘗試，對未來采用超大尺度高分子復(fù)合材料增減材制造方案的建筑項目發(fā)揮指導(dǎo)性作用。

創(chuàng)新性地將三維激光掃描設(shè)備與溫度場檢測設(shè)備相結(jié)合，從物理及化學(xué)層面對打印構(gòu)件質(zhì)量進行橫向評定，通過掃描模型與原設(shè)計模型尺寸及打印過程中熱歷史數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ龋袛啻蛴?gòu)件質(zhì)量，為超大尺度打印構(gòu)件質(zhì)量評定標準化奠定基礎(chǔ)。