熔融層積技術(shù)在超大尺度建筑結(jié)構(gòu)3D打印中的應(yīng)用*

周 鳴，陳曉明，張 昱，石 峰

(1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，上海 200072；3.上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心，上海 200072；4.上?？狷棛C(jī)器人科技有限公司，上海 201906)

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)，是指在計(jì)算機(jī)控制下層疊原材料，實(shí)現(xiàn)3D物體的建造。根據(jù)不同的原材料處理方式可將3D打印技術(shù)細(xì)分為熔融層積技術(shù)、激光選區(qū)熔化技術(shù)、直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、熔絲制造技術(shù)、立體光刻技術(shù)、數(shù)字光處理技術(shù)、分層實(shí)體制造技術(shù)等。

目前，國(guó)內(nèi)外已將3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，如阿姆斯特丹采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)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(xué)與荷蘭建筑集團(tuán)BAM Infrastructure合作采用熔融層積技術(shù)打印了長(zhǎng)8m、寬4m的自行車專用混凝土平橋；我國(guó)采用熔融層積技術(shù)打印了上海智慧灣科創(chuàng)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(shù)打印流程

考慮建筑領(lǐng)域打印構(gòu)件質(zhì)量、成本、尺寸等，熔融層積技術(shù)最具推廣應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)可在成本較低的情況下，打印具有一定強(qiáng)度、優(yōu)異耐候性的大型構(gòu)件。

熔融層積技術(shù)打印流程如圖1所示?；诮ㄖI(lǐng)域超大尺度3D打印理論依據(jù)及質(zhì)量監(jiān)督要求，借助計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行控制，分析打印過(guò)程中的理論模型軌跡，為超大尺度打印試驗(yàn)提供依據(jù)。打印機(jī)構(gòu)分為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及末端噴頭，基于打印過(guò)程的切片運(yùn)算軌跡數(shù)據(jù)，分析實(shí)際打印過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)碰撞和打印構(gòu)件翹曲風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 熔融層積技術(shù)打印流程

1.1 數(shù)據(jù)傳輸

將3D STL網(wǎng)格模型導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行切片分析，形成打印運(yùn)動(dòng)軌跡，并將運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換成打印設(shè)備可讀取的Gcode形式，導(dǎo)出至3D打印機(jī)中。數(shù)據(jù)傳輸是將3D模型進(jìn)行離散，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制點(diǎn)重新表述。

運(yùn)動(dòng)控制點(diǎn)應(yīng)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(yùn)動(dòng)控制點(diǎn)連成的軌跡線即為運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2 構(gòu)件翹曲檢測(cè)

超大尺度3D打印構(gòu)件易發(fā)生翹曲、開(kāi)裂現(xiàn)象。由3D打印熱歷史試驗(yàn)可知，影響打印構(gòu)件脫底、層間開(kāi)裂的關(guān)鍵指標(biāo)為打印軌跡單層控制時(shí)間。

通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行打印前模擬仿真分析，計(jì)算單層控制時(shí)間，結(jié)合STL打印模型的網(wǎng)格面傾斜角度，分析打印構(gòu)件層間薄弱連接點(diǎn)，指導(dǎo)實(shí)際打印過(guò)程。需對(duì)薄弱處進(jìn)行人工干預(yù)加固，以提高打印質(zhì)量。

在grasshopper上使用自主開(kāi)發(fā)的算法對(duì)輸入的網(wǎng)格模型進(jìn)行懸垂角判斷(見(jiàn)圖2)，輸入的打印模型為由三角面片組成的網(wǎng)格模型，正式打印前需比對(duì)網(wǎng)格中的每個(gè)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(yōu)化模型，并調(diào)整打印路徑。

圖2 檢測(cè)模型

1.3 打印設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)碰撞檢測(cè)

超大尺度3D打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)多為龍門式3D打印機(jī)、六關(guān)節(jié)機(jī)器人3D打印機(jī)。

Gcode命令指向的運(yùn)動(dòng)控制點(diǎn)在打印機(jī)內(nèi)部需進(jìn)行求逆解運(yùn)算，將每個(gè)運(yùn)動(dòng)控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換成電機(jī)控制信號(hào)。對(duì)于六關(guān)節(jié)機(jī)器人3D打印機(jī)，逆解運(yùn)算可能造成打印機(jī)打印姿態(tài)怪異，易損傷打印機(jī)本體。如果逆解值超出正常范圍，機(jī)器人在該位置會(huì)發(fā)生過(guò)扭自損傷。對(duì)于龍門式3D打印機(jī)，打印過(guò)程中可能發(fā)生噴嘴碰撞，如圖3所示。

圖3 六關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)碰撞示意

每次打印前需對(duì)打印設(shè)備及打印噴頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡模擬，提高打印過(guò)程安全性，避免設(shè)備損傷。

1.4 關(guān)鍵參數(shù)的結(jié)合

運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)于打印構(gòu)件質(zhì)量至關(guān)重要，因此，采用熔融層積技術(shù)時(shí)，通過(guò)單層打印時(shí)間分析預(yù)測(cè)構(gòu)件熱歷史，提取特征點(diǎn)，賦予特征點(diǎn)特定的打印參數(shù)，改進(jìn)打印過(guò)程，形成新的打印工藝與打印參數(shù)包，如圖4所示。

圖4 打印參數(shù)包

2 熔融層積技術(shù)打印要點(diǎn)

2.1 總體設(shè)計(jì)要求

1)打印時(shí)應(yīng)考慮成型方式及建筑領(lǐng)域工程特點(diǎn)。

2)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及成本選擇合適的打印材料，需考慮材料力學(xué)性能與耐候性等。

3)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的打印機(jī)構(gòu)。

2.2 模型可打印性深化

打印前應(yīng)深化模型可打印性，打印模型應(yīng)盡量避免產(chǎn)生回抽，提高構(gòu)件打印質(zhì)量。

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

2.3 既定模型軌跡切片

根據(jù)打印設(shè)備硬件及打印材料調(diào)整打印工藝參數(shù)。使用打印參數(shù)對(duì)于深化后的打印模型進(jìn)行軌跡切片，并導(dǎo)出Gcode文件。

2.4 傾斜角度分析

模擬運(yùn)行打印路徑，分析路徑層間外擴(kuò)角度，當(dāng)上、下層外擴(kuò)角度>45°時(shí)，易發(fā)生塌料，導(dǎo)致材料無(wú)法壘砌。如存在上、下層外擴(kuò)角度>45°的塌料點(diǎn)，需記錄塌料點(diǎn)及其在模型中的位置，重新對(duì)模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

2.5 打印構(gòu)件熱歷史分析

模擬運(yùn)行打印路徑，計(jì)算單層打印時(shí)間，分析打印構(gòu)件層間熱歷史。對(duì)單層打印時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制。如果單層打印時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致打印過(guò)程中構(gòu)件層間開(kāi)裂及翹曲，下層材料層積至上層時(shí)溫度不夠高，導(dǎo)致層間結(jié)合性較差；如果單層打印時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致打印過(guò)程中出現(xiàn)塌料現(xiàn)象，下層材料層積至上層時(shí)溫度不夠低，材料會(huì)發(fā)生塌陷，影響打印質(zhì)量。

2.6 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)碰撞分析

1)調(diào)整打印構(gòu)件坐標(biāo)系，根據(jù)打印設(shè)備仿真模擬打印路徑，分析運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)碰撞周邊物體的可能性。

2)分析六關(guān)節(jié)機(jī)器人3D打印機(jī)各關(guān)節(jié)值是否處于正常范圍內(nèi)，過(guò)大的扭動(dòng)會(huì)損傷打印機(jī)本體。

3)分析六關(guān)節(jié)機(jī)器人3D打印機(jī)噴嘴是否碰撞打印機(jī)本體，監(jiān)測(cè)打印全過(guò)程，如發(fā)生碰撞，標(biāo)紅噴嘴模型。

4)打印時(shí)按先內(nèi)層后外層的順序，保證構(gòu)件表面質(zhì)量。檢查進(jìn)刀點(diǎn)、退刀點(diǎn)、回抽是否正常。

2.7 打印參數(shù)優(yōu)化

1)針對(duì)模型軌跡傾斜角度分析結(jié)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(jù)打印路徑熱歷史分析結(jié)果，當(dāng)單層打印時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，提高打印速度和噴頭擠出轉(zhuǎn)速，在保證打印設(shè)備正常工作、打印線寬一致的同時(shí)縮短單層打印時(shí)間；當(dāng)單層打印時(shí)間過(guò)短時(shí)，降低打印速度和噴頭擠出轉(zhuǎn)速，在保證打印設(shè)備正常工作、打印線寬一致的同時(shí)延長(zhǎng)單層打印時(shí)間。

3)將調(diào)整后的打印參數(shù)記錄到Gcode文件對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)中，得到優(yōu)化后的打印路徑，如圖5所示。

圖5 打印參數(shù)調(diào)整

2.8 上機(jī)打印

實(shí)際上機(jī)打印前，應(yīng)檢查打印系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、供料系統(tǒng)、空壓機(jī)、噴嘴是否正常運(yùn)行。調(diào)整打印坐標(biāo)系與設(shè)定坐標(biāo)系一致，在噴頭無(wú)法擠出材料的情況下，直接打印前3層，觀察實(shí)際運(yùn)行情況是否與模擬情況一致，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否與周邊物體產(chǎn)生碰撞等。

3 熔融層積技術(shù)在景觀橋中的應(yīng)用

采用熔融層積技術(shù)打印的景觀橋沖破傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)的束縛，將參數(shù)化的數(shù)字構(gòu)建方式融入其中，利用快速成型技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，使建造更智能、設(shè)計(jì)更自由。

3.1 桃浦3D打印景觀橋

上海市普陀區(qū)桃浦中央綠地3D打印景觀橋“時(shí)空橋”長(zhǎng)15.25m，寬3.8m，高1.2m，結(jié)合傳統(tǒng)書法，采用“大略如行云流水，初無(wú)定質(zhì)，但常行于所當(dāng)行，常止于所不可不止”的設(shè)計(jì)理念，如圖6所示。將景觀橋所有構(gòu)件，如橋身、欄桿、傳力結(jié)構(gòu)等納入外觀體系一體化設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)橋體外觀整體性，通過(guò)不對(duì)稱的變形設(shè)計(jì)為橋體獲得強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)感及張力感，相互套疊的內(nèi)部空間、流動(dòng)的坡道和如山巒層疊的欄桿呈現(xiàn)出中國(guó)山水意境般的空間形象，并融于桃浦中央公園之中。

圖6 “時(shí)空橋”效果

橋梁外部整體橋形構(gòu)件打印工藝如下：①進(jìn)行空間多維度雙曲面數(shù)字化設(shè)計(jì)；②通過(guò)專用軟件進(jìn)行力學(xué)搭載模擬仿真及拓?fù)鋬?yōu)化仿真設(shè)計(jì)；③借助專用切片軟件，結(jié)合各種路徑及填充算法，生成數(shù)控系統(tǒng)可識(shí)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(shí)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(zhǎng)66.58m，寬7.25m，高2.7m，3D打印橋全長(zhǎng)22.5m，寬2.6m，高2.7m，橋梁形態(tài)設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于驛馬河區(qū)域內(nèi)自由奔騰的河流，如圖8所示。自由靈動(dòng)的曲線，酷似絲帶的抽象形態(tài)，伴隨著光影的變幻，能夠產(chǎn)生極具藝術(shù)感的視覺(jué)享受，同時(shí)滿足橋梁對(duì)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(shù)路線如下：將造型復(fù)雜的橋段分成20段進(jìn)行熔融沉積成型，形成分段打印構(gòu)件(見(jiàn)圖9)，承重結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁，獨(dú)立的打印構(gòu)件通過(guò)機(jī)械連接方式與鋼箱梁進(jìn)行可靠連接，分段構(gòu)件之間采用雙組分丙烯酸結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行防水嵌縫處理，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分段組裝。

分段構(gòu)件打印工藝如下：①每段構(gòu)件通過(guò)專用軟件進(jìn)行力學(xué)搭載模擬仿真及拓?fù)鋬?yōu)化仿真設(shè)計(jì)；②借助專用切片軟件，結(jié)合各種路徑及填充算法，生成數(shù)控系統(tǒng)可識(shí)別的G代碼(打印軌跡)。

圖9 “流云橋”分段

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于超大尺度3D打印構(gòu)件，打印失敗將造成嚴(yán)重的材料、時(shí)間損失。因此，需采用模擬仿真技術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)，以提高打印成型質(zhì)量、良品率、打印可靠性。

考慮打印構(gòu)件質(zhì)量、成本、尺寸等，熔融層積技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用較廣，具有推廣應(yīng)用價(jià)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(yīng)用。熔融層積技術(shù)可在成本較低的情況下，打印具有一定強(qiáng)度、優(yōu)異耐候性的大型構(gòu)件。