3D打印技術(shù)在道路工程的應(yīng)用綜述

郭猛 任鑫

（北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 前言

隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的道路工程建設(shè)有了更高的要求。3D打印技術(shù)具有省時(shí)省力、節(jié)約材料的特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。3D打印技術(shù)由來已久，其概念最早由美國和日本的四位學(xué)者先后提出。1986年，美國學(xué)者Charles Hull最先提出光固化方法，使3D打印技術(shù)得以提高，1988年，其創(chuàng)辦的公司生產(chǎn)出世界上第一臺3D打印機(jī)[1]。2003年,Arcam公司通過電子束選區(qū)熔化成型技術(shù)生產(chǎn)出第一代EBM-S12打印機(jī)[2]。Z Corporation公司利用三維打印成型技術(shù)生產(chǎn)出3D打印機(jī)[1]。

進(jìn)入21世紀(jì)，3D打印技術(shù)在我國發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域涉及航空、醫(yī)療等。伴隨著3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，其在道路工程的應(yīng)用也成為可能[3]。本文對3D打印技術(shù)進(jìn)行了介紹，綜述了3D打印技術(shù)在道路等方面的應(yīng)用,并提出了3D打印技術(shù)的研究方向。

1 3D打印技術(shù)簡介

1.1 3D打印技術(shù)分類

3D打印技術(shù)主要包括數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)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(jù)材料種類和成型方式的不同，3D打印技術(shù)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(shù)應(yīng)用

目前，3D打印技術(shù)在材料、航空等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，其應(yīng)用范圍會進(jìn)一步擴(kuò)大。為此，國內(nèi)學(xué)者對不同領(lǐng)域進(jìn)行了探索。

在材料方面，國內(nèi)學(xué)者通過3D打印技術(shù)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(shù)來制備合金，通過裝置來操縱平臺的移動，從而對合金進(jìn)行逐層打印，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3D打印可以獲得優(yōu)良的Sn-9Zn合金。王卓等[7]為了提高材料的性能，采用預(yù)聚物和活性單體作為3D打印技術(shù)的原材料，結(jié)果表明，3D打印技術(shù)可以獲得優(yōu)良的材料性能。

在航空方面，國內(nèi)學(xué)者通過3D打印技術(shù)來制備高性能的航空零件，但存在大尺寸制造效率低、技術(shù)不完善的問題。李文剛等[8]對3D打印技術(shù)在鋁合金上的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)得出，3D打印技術(shù)具有制備迅速、材料利用率高的特點(diǎn)。劉時(shí)兵等[9]通過對鈦合金3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀總結(jié)發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)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(nèi)學(xué)者對3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍處在初級階段，技術(shù)不夠成熟。陶雨濛等[10]對3D打印技術(shù)在工程中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果得出，3D打印技術(shù)可以制作構(gòu)件、模具等材料部件。李榮帥[11]闡述了3D打印技術(shù)在建筑工程上的缺陷，并總結(jié)了建筑用3D打印裝置的設(shè)計(jì)思路和使用方法。

3D打印在不同領(lǐng)域的應(yīng)用如表2所示。

表2 3D打印技術(shù)應(yīng)用類型Tab.2 Application types of 3D printing technology

2 3D打印技術(shù)與道路工程

2.1 3D打印技術(shù)與道路修復(fù)

3D打印技術(shù)與道路工程結(jié)合成為了一個趨勢，在道路修復(fù)、道路材料等方面都能得以應(yīng)用。3D打印技術(shù)可以使道路建設(shè)向更加智能化的方向發(fā)展，減少勞動力消耗。

當(dāng)前，我國路面經(jīng)常出現(xiàn)坑槽、裂縫等病害，為了解決這一問題，有學(xué)者通過3D打印技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一定成果。賴萬春等[12]對3D打印技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并探究了3D打印技術(shù)在路面修復(fù)的應(yīng)用，通過路面病害修復(fù)一體化應(yīng)用模型來解決我國的路面病害問題。李結(jié)義等[3]研究了3D打印技術(shù)在道路工程的應(yīng)用，提出了不同的病害修復(fù)方法，該方法能夠加快進(jìn)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(fā)生開裂的問題，提出一種基于3D打印技術(shù)的路面損傷修復(fù)方法，該方法可以減少交通堵塞，節(jié)約成本。3D打印技術(shù)應(yīng)用于道路修復(fù)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(shù)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(shù)與瀝青混合料結(jié)合，是瀝青混合料發(fā)展的趨勢。但國內(nèi)學(xué)者對3D打印技術(shù)制備道路材料的研究較少，且成本較高，技術(shù)不夠成熟。張琛等[14]采用3D打印技術(shù)探究瀝青混合料中集料的堆移行為，通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)和無損掃描技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，3D打印技術(shù)不會對原材料的力學(xué)性能造成影響，可更好地對集料的堆移行為展開研究，試驗(yàn)步驟如表4所示。邵浩洋[15]通過3D打印技術(shù)來制備硅藻土，其步驟是選擇打印機(jī)、制備硅藻土泥漿、利用三維軟件繪制模型、通過打印機(jī)進(jìn)行制備，制備的硅藻土可應(yīng)用于瀝青改性劑、復(fù)合材料等領(lǐng)域。

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

2.3 3D打印技術(shù)與道路施工

當(dāng)前，許多新技術(shù)被運(yùn)用到道路施工中，其中3D打印技術(shù)也在和道路施工相結(jié)合。但國內(nèi)對3D打印技術(shù)在道路施工的應(yīng)用研究較少，且材料受限，技術(shù)不夠完善。彭玉龍[16]對3D打印技術(shù)在道路工程上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過3D打印技術(shù)可以確定施工方案，能夠全方位展現(xiàn)結(jié)構(gòu)和承重情況，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而使多種工序能連續(xù)作業(yè)。3D打印技術(shù)在道路施工上有三大優(yōu)勢：施工時(shí)間縮短；施工成本降低；施工難度降低[17]。

3 結(jié)論

綜上可以得出：1）相比于傳統(tǒng)修復(fù)方法，3D打印技術(shù)為修復(fù)路面的裂縫、坑槽等病害提供了便利，加快了施工進(jìn)度，減少了交通擁堵；2）3D打印技術(shù)為瀝青混合料、瀝青改性劑等道路材料的運(yùn)用提供了新的技術(shù)支持；3）與傳統(tǒng)道路施工相比，3D打印技術(shù)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(shù)可運(yùn)用于道路工程領(lǐng)域，但仍有不足：1）3D打印技術(shù)適合打印的道路材料有局限，技術(shù)不夠成熟；2）成本高，且技術(shù)要求嚴(yán)格。

由于3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在道路工程上的應(yīng)用范圍會更廣。當(dāng)前3D打印技術(shù)還存在著許多不足，仍需加強(qiáng)研究。在未來，3D打印技術(shù)會與路面材料、路面結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域結(jié)合，從而更加智能化地解決道路工程問題。同時(shí)，未來的研究可以從道路新材料、交通標(biāo)志、道路結(jié)構(gòu)、路面病害等方面入手，充分利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，解決道路工程中的各類問題。