關于3D打印建筑表面層紋處理技術的研究

楊 炯 黃桂林*

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

3D打印技術在建筑行業(yè)中的應用稱為3D打印建筑，通過使用計算機輔助設計(CAD)或其他制造3D模型的軟件來建造數字模型，通過設計的三維建筑模型，用處理軟件把它切割成薄層切片，這些以物體形式存在的薄層被發(fā)送到打印機中，它們從下至上層層疊加，最終形成一個完整的建筑物或構件[1]。正是由于這種特殊的加工制造方法，在建筑打印過程中，由于“油墨”材料的特殊性即混凝土材料在層層堆疊的過程中由于自身及上層的重力作用和材料本身的流動性，二者共同作用導致施工過程中構件或者建筑產生變形，這就是我們看到的3D打印墻體或者建筑表面呈現(xiàn)螺旋狀的凸起條紋。從理論方面解決這一問題的方法有兩種，一是改良“油墨”材料的特性，減小其流動性或者加快其初凝速度，然而當混凝土流動性過小或者凝固速度過快時，在施工過程中又會造成許多嚴重的質量問題及施工難題，如打印噴頭堵塞，層間粘結降低等。因此打印油墨必須保持有適當流動性和凝結速度，這樣就必然會產生一定程度上的形變，因此建議使用另一種補救方法，通過物理切割打磨或者補漿填涂找平來實現(xiàn)建筑或者構件表面的平整光滑。國際上目前應用最廣的是輪廓工藝和D-Shape打印技術，但是這兩種技術都存在一定的問題，本文將應用一種新的打印設備來解決部分前兩者無法滿足要求的問題。

1 輪廓工藝

“輪廓工藝”是南加州大學工程師比洛克·霍什內維斯發(fā)明的，目標是實現(xiàn)整個結構和附屬構件的自動化建造，每個建筑均可定制設計，復雜曲線也可實現(xiàn)。輪廓工藝的設計特點在于將3D打印機安裝于龍門架上，通過龍門架在預設軌道上的縱向移動和打印機在橫梁上的橫向移動使噴頭在打印過程中精確勾勒出構件的輪廓，同時在打印噴頭的側面安裝有用于修飾打印構件表面的泥刀，通過物理切割的方式將打印出的混凝土表面不平整的地方抹平，以此來修整打印墻體及建筑構件表面不平整的現(xiàn)象。該工藝的優(yōu)點在于泥刀可以自動調節(jié)，在調節(jié)泥刀的機械臂上安裝有感應系統(tǒng)，通過對打印構件表面的掃描自動調節(jié)泥刀的角度按照電腦設計的外形要求改善打印構件的表面狀態(tài)；由于泥刀是安裝在噴頭外側的，因此可以根據建筑裝飾的需要進行單側或者雙側的表面修改以此達到設計對于建筑表面紋理的要求。

輪廓工藝受“油墨”材料本身的性質影響較大，由于泥刀是附加在噴嘴兩端的，所以只能在打印材料打印出來的短暫時間內起到固定形態(tài)的作用，但是混凝土材料具有一定的流動[2]性和凝結時間，在這段時間內必然會有坍落度，而且坍落度的大小直接影響建筑構件的表面形態(tài)，坍落度又受材料性能及配合比的影響，關于這個問題的解決，輪廓工藝并不徹底；還有一個問題就是泥刀切割在一定程度上產生了建筑材料的浪費，受3D打印技術—“增材制造”工藝本身特性的影響，建筑打印由于高度及構件形體的因素，打印過程中泥刀將切下大量混凝土材料，在一定程度上造成了材料的浪費，此外用于3D打印的混凝土材料本身就屬于高性能材料，目前生產成本較高，一定程度上增加了建筑成本。

2 D-shape

意大利的工程師恩瑞克·蒂尼發(fā)明了世界上首臺以細骨料和膠凝材料為打印材料的大型3D打印機——D-shape，這種打印機是通過改變打印機噴出的“油墨”以及不同于其他打印方式的新式成型方式，成功解決了打印過程中出現(xiàn)的打印構件表面不平整不光滑的問題。該3D打印機的打印頭底部有數百個噴嘴，當打印機開始工作的時候，這些噴嘴會噴出鎂質黏合物，將砂子噴撒在黏合物上逐漸鑄成石質固體，并形成特定的形狀，最終形成石質建筑物。D-Shape打印機從建筑物底部開始，沿著龍門架支撐的水平橫梁和四個垂直柱往返移動。整個打印過程由計算機操控，打印完成后的建筑體質地類似于大理石，這種新型材料比混凝土強度更高，不需要內置鋼筋進行加固[2]。同時不同于混凝土材料具有流動性并且需要必要的凝結時間來達到一定的強度，所以在施工過程中不會發(fā)生變形，也不會受到坍落度的影響，以一種新型的打印方式解決了3D打印建筑表面不平整的問題,同時這種技術最大的優(yōu)點在于可以更好的實現(xiàn)設計圖紙的要求，擁有更高的打印精度，速度和更低的成本。

這種技術的問題在于沒有使用混凝土作為建筑材料，同時由于鎂質黏合物與砂鑄成的石質固體材料屬性上與石材相近，在建造過程中無法解決配筋問題，建筑整體性得不到保障，建筑高度依然受到限制，建筑史上正是由于鋼筋混凝土的使用才打破了傳統(tǒng)建筑材料對建筑高度的限制，該技術特點類似于使用了新型的高強度人工石材，從建造技術來看配筋問題依然得不到解決，適用范圍較小。

3 新型紋理修復工藝

該新型修復工藝的應用是通過一種新型的3D打印建筑噴頭實現(xiàn)的，此工藝通過補噴漿液并在修補噴頭前后兩側添加滾輪實現(xiàn)紋理修補，可有效解決3D打印過程中出現(xiàn)的不平整問題。該噴頭包括與打印機相連接的供噴頭總成來回滑動的導軌和與所述導軌滑動連接的噴頭,所述噴頭包括打印裝置,控制所述打印裝置沿導軌滑動的驅動裝置,以及安裝在所述驅動裝置下方用于修正打印成型物料側面平整度的修補裝置。本發(fā)明通過在成型盒兩側安裝有用于整平打印建筑側面的滾輪,并在滾輪之間設置有進一步對打印過程中產生的層紋進行填補的修補[3]。

3.1 工作特點

這種新型打印裝置工作狀態(tài)下需要預先鋪設供打印裝置移動的導軌，整個打印裝置通過水平滑移電機和水平偏轉電機進行調整，以滿足打印的需求。該裝置對于層紋的修補方式主要依賴于安裝在打印噴頭側面的修補裝置，為了保證修補效果，該裝置的修補需要在打印材料未硬化之前進行修補，修補裝置由滾輪和滾輪之間的修補噴頭共同作用對打印件表面進行平整處理，修補噴嘴的前后兩側各有一個滾輪，前側滾輪可對打印件的層紋擠壓推平，但是由于層紋處漿體材料有限擠壓過后的表面可能不均勻，甚至存在凹凸不平，此時修補噴頭便可噴出足夠的漿料補平，再由后面的滾輪碾壓平整，以此方法來消除層紋，滿足表面平整度的要求。該打印裝置在打印過程中可以很好的滿足平整度的要求，同時在修正打印件表面層紋的時候無形之中增加了構件厚度，提高了構件的承載能力，同時提高了打印建筑的安全性。

3.2 改進措施

該裝置的主要缺點是整個打印裝置的移動必須依賴于導軌，然而導軌的鋪設存在線路長短及彎曲問題，及導軌的固定以及導軌整體的爬升都存在嚴重問題。受導軌整體攀爬難度的限制將嚴重降低打印效率。因此，我們可以拆除導軌，將導軌裝置換成龍門架，同時也可以去掉水平滑移電機和水平偏轉電機，將整個打印集成噴頭裝置安裝于懸掛桿下。在龍門架支持下在空間坐標系的變換下，產生平面層的堆積，最終產生不同類型的建筑結構。龍門架在輪廓工藝和D-Shape中都表現(xiàn)出其優(yōu)越性，通過龍門架與該集成噴頭的結合可充分發(fā)揮3D打印技術在建筑領域的優(yōu)勢。

4 結語

3D打印技術在建筑領域的應用由于時間短、工程實踐少，依然存在許多問題，但是其優(yōu)點是明確的，也是值得探討的。本文通過對現(xiàn)有層紋修補技術的分析，引入新型修補工藝并提出改進措施，可有效解決表面平整度的問題。我們應該通過不斷地研究與論證，盡可能大的發(fā)揮3D技術的優(yōu)越性，將其優(yōu)越性與建筑行業(yè)密切結合，帶動建筑行業(yè)的發(fā)展，同時在實踐中推廣應用，通過實踐來檢驗存在的問題，不斷探索不斷進步。