熔融層積技術在超大尺度建筑結構3D打印中的應用*

周 鳴，陳曉明，張 昱，石 峰

(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用機器人工程技術研究中心，上海 200072；4.上海酷鷹機器人科技有限公司，上海 201906)

0 引言

3D打印技術即快速成型技術，也稱為增材制造技術，是指在計算機控制下層疊原材料，實現3D物體的建造。根據不同的原材料處理方式可將3D打印技術細分為熔融層積技術、激光選區熔化技術、直接金屬激光燒結技術、選擇性激光燒結技術、熔絲制造技術、立體光刻技術、數字光處理技術、分層實體制造技術等。

目前，國內外已將3D打印技術應用于建筑領域，如阿姆斯特丹采用選擇性激光燒結技術打印了城市河道人行景觀橋，打印周期為3年；荷蘭埃因霍溫理工大學與荷蘭建筑集團BAM Infrastructure合作采用熔融層積技術打印了長8m、寬4m的自行車專用混凝土平橋；我國采用熔融層積技術打印了上海智慧灣科創園混凝土步行橋(打印周期為半年)及上海桃浦中央綠地公園景觀橋(打印周期為22d)，原材料為塑料粒子，成本較低。

1 熔融層積技術打印流程

考慮建筑領域打印構件質量、成本、尺寸等，熔融層積技術最具推廣應用價值。該技術可在成本較低的情況下，打印具有一定強度、優異耐候性的大型構件。

熔融層積技術打印流程如圖1所示。基于建筑領域超大尺度3D打印理論依據及質量監督要求，借助計算機算法進行控制，分析打印過程中的理論模型軌跡，為超大尺度打印試驗提供依據。打印機構分為運動機構及末端噴頭，基于打印過程的切片運算軌跡數據，分析實際打印過程中的運動機構碰撞和打印構件翹曲風險。

圖1 熔融層積技術打印流程

1.1 數據傳輸

將3D STL網格模型導入計算機進行切片分析，形成打印運動軌跡，并將運動軌跡轉換成打印設備可讀取的Gcode形式，導出至3D打印機中。數據傳輸是將3D模型進行離散，并通過運動控制點重新表述。

運動控制點應在容量可控的情況下盡量減小弦高誤差，保證表述模型盡量還原原始模型，提高打印精度。運動控制點連成的軌跡線即為運動軌跡。

1.2 構件翹曲檢測

超大尺度3D打印構件易發生翹曲、開裂現象。由3D打印熱歷史試驗可知，影響打印構件脫底、層間開裂的關鍵指標為打印軌跡單層控制時間。

通過對運動軌跡進行打印前模擬仿真分析，計算單層控制時間，結合STL打印模型的網格面傾斜角度，分析打印構件層間薄弱連接點，指導實際打印過程。需對薄弱處進行人工干預加固，以提高打印質量。

在grasshopper上使用自主開發的算法對輸入的網格模型進行懸垂角判斷(見圖2)，輸入的打印模型為由三角面片組成的網格模型，正式打印前需比對網格中的每個三角面片法線向量與xy平面的夾角，如果夾角>45°，在該處位置打印易造成翹曲或塌陷。因此，需重新優化模型，并調整打印路徑。

圖2 檢測模型

1.3 打印設備運動機構碰撞檢測

超大尺度3D打印運動機構多為龍門式3D打印機、六關節機器人3D打印機。

Gcode命令指向的運動控制點在打印機內部需進行求逆解運算，將每個運動控制點轉換成電機控制信號。對于六關節機器人3D打印機，逆解運算可能造成打印機打印姿態怪異，易損傷打印機本體。如果逆解值超出正常范圍，機器人在該位置會發生過扭自損傷。對于龍門式3D打印機，打印過程中可能發生噴嘴碰撞，如圖3所示。

圖3 六關節機器人運行時碰撞示意

每次打印前需對打印設備及打印噴頭進行運動軌跡模擬，提高打印過程安全性，避免設備損傷。

1.4 關鍵參數的結合

運動軌跡對于打印構件質量至關重要，因此，采用熔融層積技術時，通過單層打印時間分析預測構件熱歷史，提取特征點，賦予特征點特定的打印參數，改進打印過程，形成新的打印工藝與打印參數包，如圖4所示。

圖4 打印參數包

2 熔融層積技術打印要點

2.1 總體設計要求

1)打印時應考慮成型方式及建筑領域工程特點。

2)應根據應用場景及成本選擇合適的打印材料，需考慮材料力學性能與耐候性等。

3)應根據應用場景選擇合適的打印機構。

2.2 模型可打印性深化

打印前應深化模型可打印性，打印模型應盡量避免產生回抽，提高構件打印質量。

因構件打印完成后臨時支撐難以去除，并考慮成本等因素，深化超大尺度3D打印構件模型可打印性時，應盡量避免應用臨時支撐。

2.3 既定模型軌跡切片

根據打印設備硬件及打印材料調整打印工藝參數。使用打印參數對于深化后的打印模型進行軌跡切片，并導出Gcode文件。

2.4 傾斜角度分析

模擬運行打印路徑，分析路徑層間外擴角度，當上、下層外擴角度>45°時，易發生塌料，導致材料無法壘砌。如存在上、下層外擴角度>45°的塌料點，需記錄塌料點及其在模型中的位置，重新對模型進行深化設計。

2.5 打印構件熱歷史分析

模擬運行打印路徑，計算單層打印時間，分析打印構件層間熱歷史。對單層打印時間進行嚴格控制。如果單層打印時間過長，會導致打印過程中構件層間開裂及翹曲，下層材料層積至上層時溫度不夠高，導致層間結合性較差；如果單層打印時間過短，會導致打印過程中出現塌料現象，下層材料層積至上層時溫度不夠低，材料會發生塌陷，影響打印質量。

2.6 運動機構碰撞分析

1)調整打印構件坐標系，根據打印設備仿真模擬打印路徑，分析運動機構碰撞周邊物體的可能性。

2)分析六關節機器人3D打印機各關節值是否處于正常范圍內，過大的扭動會損傷打印機本體。

3)分析六關節機器人3D打印機噴嘴是否碰撞打印機本體，監測打印全過程，如發生碰撞，標紅噴嘴模型。

4)打印時按先內層后外層的順序，保證構件表面質量。檢查進刀點、退刀點、回抽是否正常。

2.7 打印參數優化

1)針對模型軌跡傾斜角度分析結果，在薄弱處添加支撐或填充物，防止因角度不夠而塌料。

2)根據打印路徑熱歷史分析結果，當單層打印時間過長時，提高打印速度和噴頭擠出轉速，在保證打印設備正常工作、打印線寬一致的同時縮短單層打印時間；當單層打印時間過短時，降低打印速度和噴頭擠出轉速，在保證打印設備正常工作、打印線寬一致的同時延長單層打印時間。

3)將調整后的打印參數記錄到Gcode文件對應特征點中，得到優化后的打印路徑，如圖5所示。

圖5 打印參數調整

2.8 上機打印

實際上機打印前，應檢查打印系統、運動機構、供料系統、空壓機、噴嘴是否正常運行。調整打印坐標系與設定坐標系一致，在噴頭無法擠出材料的情況下，直接打印前3層，觀察實際運行情況是否與模擬情況一致，運動機構是否與周邊物體產生碰撞等。

3 熔融層積技術在景觀橋中的應用

采用熔融層積技術打印的景觀橋沖破傳統橋梁設計的束縛，將參數化的數字構建方式融入其中，利用快速成型技術對設計進行實時反饋，使建造更智能、設計更自由。

3.1 桃浦3D打印景觀橋

上海市普陀區桃浦中央綠地3D打印景觀橋“時空橋”長15.25m，寬3.8m，高1.2m，結合傳統書法，采用“大略如行云流水，初無定質，但常行于所當行，常止于所不可不止”的設計理念，如圖6所示。將景觀橋所有構件，如橋身、欄桿、傳力結構等納入外觀體系一體化設計，強調橋體外觀整體性，通過不對稱的變形設計為橋體獲得強烈的運動感及張力感，相互套疊的內部空間、流動的坡道和如山巒層疊的欄桿呈現出中國山水意境般的空間形象，并融于桃浦中央公園之中。

圖6 “時空橋”效果

橋梁外部整體橋形構件打印工藝如下：①進行空間多維度雙曲面數字化設計；②通過專用軟件進行力學搭載模擬仿真及拓撲優化仿真設計；③借助專用切片軟件，結合各種路徑及填充算法，生成數控系統可識別的G代碼(打印軌跡)。橋梁剖面打印路徑模型如圖7所示。

圖7 “時空橋”剖面打印路徑模型

3.2 成都3D打印景觀橋

3D打印景觀橋“流云橋”位于成都桃都大道東段驛馬河公園曲水坊景觀湖之上，整橋長66.58m，寬7.25m，高2.7m，3D打印橋全長22.5m，寬2.6m，高2.7m，橋梁形態設計靈感來源于驛馬河區域內自由奔騰的河流，如圖8所示。自由靈動的曲線，酷似絲帶的抽象形態，伴隨著光影的變幻，能夠產生極具藝術感的視覺享受，同時滿足橋梁對功能和空間的需求。

圖8 “流云橋”效果

3D打印“流云橋”采用的總體技術路線如下：將造型復雜的橋段分成20段進行熔融沉積成型，形成分段打印構件(見圖9)，承重結構采用鋼箱梁，獨立的打印構件通過機械連接方式與鋼箱梁進行可靠連接，分段構件之間采用雙組分丙烯酸結構膠進行防水嵌縫處理，在現場進行分段組裝。

分段構件打印工藝如下：①每段構件通過專用軟件進行力學搭載模擬仿真及拓撲優化仿真設計；②借助專用切片軟件，結合各種路徑及填充算法，生成數控系統可識別的G代碼(打印軌跡)。

圖9 “流云橋”分段

4 結語

對于超大尺度3D打印構件，打印失敗將造成嚴重的材料、時間損失。因此，需采用模擬仿真技術進行指導，以提高打印成型質量、良品率、打印可靠性。

考慮打印構件質量、成本、尺寸等，熔融層積技術在建筑領域的應用較廣，具有推廣應用價值，已在成都驛馬河公園“流云橋”、泉州連綿帶3D打印景觀橋中得到應用。熔融層積技術可在成本較低的情況下，打印具有一定強度、優異耐候性的大型構件。