3D打印技術在道路工程的應用綜述

郭猛 任鑫

（北京工業大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124）

0 前言

隨著科技進步和經濟發展，我國的道路工程建設有了更高的要求。3D打印技術具有省時省力、節約材料的特點，因而得到廣泛應用。3D打印技術由來已久，其概念最早由美國和日本的四位學者先后提出。1986年，美國學者Charles Hull最先提出光固化方法，使3D打印技術得以提高，1988年，其創辦的公司生產出世界上第一臺3D打印機[1]。2003年,Arcam公司通過電子束選區熔化成型技術生產出第一代EBM-S12打印機[2]。Z Corporation公司利用三維打印成型技術生產出3D打印機[1]。

進入21世紀，3D打印技術在我國發展迅速，應用領域涉及航空、醫療等。伴隨著3D打印技術在各領域的應用，其在道路工程的應用也成為可能[3]。本文對3D打印技術進行了介紹，綜述了3D打印技術在道路等方面的應用,并提出了3D打印技術的研究方向。

1 3D打印技術簡介

1.1 3D打印技術分類

3D打印技術主要包括數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等[4]，其主要打印步驟參見圖1所示。

圖1 3D打印流程圖Fig.1 3D printing flow chart

根據材料種類和成型方式的不同，3D打印技術可以分為七種工藝方法[5]，具體的對比情況如表1所示。

表1 3D打印工藝方法[5]Tab.1 3D printing process[5]

1.2 3D打印技術應用

目前，3D打印技術在材料、航空等領域得到了廣泛應用。隨著技術不斷進步，其應用范圍會進一步擴大。為此，國內學者對不同領域進行了探索。

在材料方面，國內學者通過3D打印技術來制備原材料，從而獲得性能良好的工藝材料。黃偉等[6]為了提高Sn-9Zn合金的抗氧化性和耐腐蝕性，采用3D打印技術來制備合金，通過裝置來操縱平臺的移動，從而對合金進行逐層打印，結果發現，3D打印可以獲得優良的Sn-9Zn合金。王卓等[7]為了提高材料的性能，采用預聚物和活性單體作為3D打印技術的原材料，結果表明，3D打印技術可以獲得優良的材料性能。

在航空方面，國內學者通過3D打印技術來制備高性能的航空零件，但存在大尺寸制造效率低、技術不完善的問題。李文剛等[8]對3D打印技術在鋁合金上的應用進行總結得出，3D打印技術具有制備迅速、材料利用率高的特點。劉時兵等[9]通過對鈦合金3D打印技術的研究現狀總結發現，3D打印技術存在大尺寸零件制備效率低、有成型缺陷等問題。

在土木工程方面，國內學者對3D打印技術在該領域的應用研究仍處在初級階段，技術不夠成熟。陶雨濛等[10]對3D打印技術在工程中的應用進行總結，結果得出，3D打印技術可以制作構件、模具等材料部件。李榮帥[11]闡述了3D打印技術在建筑工程上的缺陷，并總結了建筑用3D打印裝置的設計思路和使用方法。

3D打印在不同領域的應用如表2所示。

表2 3D打印技術應用類型Tab.2 Application types of 3D printing technology

2 3D打印技術與道路工程

2.1 3D打印技術與道路修復

3D打印技術與道路工程結合成為了一個趨勢，在道路修復、道路材料等方面都能得以應用。3D打印技術可以使道路建設向更加智能化的方向發展，減少勞動力消耗。

當前，我國路面經常出現坑槽、裂縫等病害，為了解決這一問題，有學者通過3D打印技術進行研究，并取得了一定成果。賴萬春等[12]對3D打印技術的特點進行了總結，并探究了3D打印技術在路面修復的應用，通過路面病害修復一體化應用模型來解決我國的路面病害問題。李結義等[3]研究了3D打印技術在道路工程的應用，提出了不同的病害修復方法，該方法能夠加快進度，減少材料的使用。Yeon J等[13]為了解決路面因干燥收縮而發生開裂的問題，提出一種基于3D打印技術的路面損傷修復方法，該方法可以減少交通堵塞，節約成本。3D打印技術應用于道路修復的方法如表3所示。

表3 3D打印與道路病害類型Tab.3 3D printing and road disease types

2.2 3D打印技術與道路材料

作為道路材料，瀝青混合料起著重要作用。將3D打印技術與瀝青混合料結合，是瀝青混合料發展的趨勢。但國內學者對3D打印技術制備道路材料的研究較少，且成本較高，技術不夠成熟。張琛等[14]采用3D打印技術探究瀝青混合料中集料的堆移行為，通過旋轉壓實試驗和無損掃描技術進行分析，結果表明，3D打印技術不會對原材料的力學性能造成影響，可更好地對集料的堆移行為展開研究，試驗步驟如表4所示。邵浩洋[15]通過3D打印技術來制備硅藻土，其步驟是選擇打印機、制備硅藻土泥漿、利用三維軟件繪制模型、通過打印機進行制備，制備的硅藻土可應用于瀝青改性劑、復合材料等領域。

表4 表征集料行為的試驗步驟[14]Tab.4 Test procedure to characterize aggregate behavior[14]

2.3 3D打印技術與道路施工

當前，許多新技術被運用到道路施工中，其中3D打印技術也在和道路施工相結合。但國內對3D打印技術在道路施工的應用研究較少，且材料受限，技術不夠完善。彭玉龍[16]對3D打印技術在道路工程上的應用進行了研究，結果發現，通過3D打印技術可以確定施工方案，能夠全方位展現結構和承重情況，還可以進行實時監測，從而使多種工序能連續作業。3D打印技術在道路施工上有三大優勢：施工時間縮短；施工成本降低；施工難度降低[17]。

3 結論

綜上可以得出：1）相比于傳統修復方法，3D打印技術為修復路面的裂縫、坑槽等病害提供了便利，加快了施工進度，減少了交通擁堵；2）3D打印技術為瀝青混合料、瀝青改性劑等道路材料的運用提供了新的技術支持；3）與傳統道路施工相比，3D打印技術使得道路施工更加智能化、信息化。

4 不足與展望

目前，雖然3D打印技術可運用于道路工程領域，但仍有不足：1）3D打印技術適合打印的道路材料有局限，技術不夠成熟；2）成本高，且技術要求嚴格。

由于3D打印技術的不斷進步，其在道路工程上的應用范圍會更廣。當前3D打印技術還存在著許多不足，仍需加強研究。在未來，3D打印技術會與路面材料、路面結構等領域結合，從而更加智能化地解決道路工程問題。同時，未來的研究可以從道路新材料、交通標志、道路結構、路面病害等方面入手，充分利用3D打印技術的優勢，解決道路工程中的各類問題。