3D打印技术在道路工程的应用综述

郭猛 任鑫

（北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124）

0 前言

随着科技进步和经济发展，我国的道路工程建设有了更高的要求。3D打印技术具有省时省力、节约材料的特点，因而得到广泛应用。3D打印技术由来已久，其概念最早由美国和日本的四位学者先后提出。1986年，美国学者Charles Hull最先提出光固化方法，使3D打印技术得以提高，1988年，其创办的公司生产出世界上第一台3D打印机[1]。2003年,Arcam公司通过电子束选区熔化成型技术生产出第一代EBM-S12打印机[2]。Z Corporation公司利用三维打印成型技术生产出3D打印机[1]。

进入21世纪，3D打印技术在我国发展迅速，应用领域涉及航空、医疗等。伴随着3D打印技术在各领域的应用，其在道路工程的应用也成为可能[3]。本文对3D打印技术进行了介绍，综述了3D打印技术在道路等方面的应用,并提出了3D打印技术的研究方向。

1 3D打印技术简介

1.1 3D打印技术分类

3D打印技术主要包括数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等[4]，其主要打印步骤参见图1所示。

图1 3D打印流程图Fig.1 3D printing flow chart

根据材料种类和成型方式的不同，3D打印技术可以分为七种工艺方法[5]，具体的对比情况如表1所示。

表1 3D打印工艺方法[5]Tab.1 3D printing process[5]

1.2 3D打印技术应用

目前，3D打印技术在材料、航空等领域得到了广泛应用。随着技术不断进步，其应用范围会进一步扩大。为此，国内学者对不同领域进行了探索。

在材料方面，国内学者通过3D打印技术来制备原材料，从而获得性能良好的工艺材料。黄伟等[6]为了提高Sn-9Zn合金的抗氧化性和耐腐蚀性，采用3D打印技术来制备合金，通过装置来操纵平台的移动，从而对合金进行逐层打印，结果发现，3D打印可以获得优良的Sn-9Zn合金。王卓等[7]为了提高材料的性能，采用预聚物和活性单体作为3D打印技术的原材料，结果表明，3D打印技术可以获得优良的材料性能。

在航空方面，国内学者通过3D打印技术来制备高性能的航空零件，但存在大尺寸制造效率低、技术不完善的问题。李文刚等[8]对3D打印技术在铝合金上的应用进行总结得出，3D打印技术具有制备迅速、材料利用率高的特点。刘时兵等[9]通过对钛合金3D打印技术的研究现状总结发现，3D打印技术存在大尺寸零件制备效率低、有成型缺陷等问题。

在土木工程方面，国内学者对3D打印技术在该领域的应用研究仍处在初级阶段，技术不够成熟。陶雨濛等[10]对3D打印技术在工程中的应用进行总结，结果得出，3D打印技术可以制作构件、模具等材料部件。李荣帅[11]阐述了3D打印技术在建筑工程上的缺陷，并总结了建筑用3D打印装置的设计思路和使用方法。

3D打印在不同领域的应用如表2所示。

表2 3D打印技术应用类型Tab.2 Application types of 3D printing technology

2 3D打印技术与道路工程

2.1 3D打印技术与道路修复

3D打印技术与道路工程结合成为了一个趋势，在道路修复、道路材料等方面都能得以应用。3D打印技术可以使道路建设向更加智能化的方向发展，减少劳动力消耗。

当前，我国路面经常出现坑槽、裂缝等病害，为了解决这一问题，有学者通过3D打印技术进行研究，并取得了一定成果。赖万春等[12]对3D打印技术的特点进行了总结，并探究了3D打印技术在路面修复的应用，通过路面病害修复一体化应用模型来解决我国的路面病害问题。李结义等[3]研究了3D打印技术在道路工程的应用，提出了不同的病害修复方法，该方法能够加快进度，减少材料的使用。Yeon J等[13]为了解决路面因干燥收缩而发生开裂的问题，提出一种基于3D打印技术的路面损伤修复方法，该方法可以减少交通堵塞，节约成本。3D打印技术应用于道路修复的方法如表3所示。

表3 3D打印与道路病害类型Tab.3 3D printing and road disease types

2.2 3D打印技术与道路材料

作为道路材料，沥青混合料起着重要作用。将3D打印技术与沥青混合料结合，是沥青混合料发展的趋势。但国内学者对3D打印技术制备道路材料的研究较少，且成本较高，技术不够成熟。张琛等[14]采用3D打印技术探究沥青混合料中集料的堆移行为，通过旋转压实试验和无损扫描技术进行分析，结果表明，3D打印技术不会对原材料的力学性能造成影响，可更好地对集料的堆移行为展开研究，试验步骤如表4所示。邵浩洋[15]通过3D打印技术来制备硅藻土，其步骤是选择打印机、制备硅藻土泥浆、利用三维软件绘制模型、通过打印机进行制备，制备的硅藻土可应用于沥青改性剂、复合材料等领域。

表4 表征集料行为的试验步骤[14]Tab.4 Test procedure to characterize aggregate behavior[14]

2.3 3D打印技术与道路施工

当前，许多新技术被运用到道路施工中，其中3D打印技术也在和道路施工相结合。但国内对3D打印技术在道路施工的应用研究较少，且材料受限，技术不够完善。彭玉龙[16]对3D打印技术在道路工程上的应用进行了研究，结果发现，通过3D打印技术可以确定施工方案，能够全方位展现结构和承重情况，还可以进行实时监测，从而使多种工序能连续作业。3D打印技术在道路施工上有三大优势：施工时间缩短；施工成本降低；施工难度降低[17]。

3 结论

综上可以得出：1）相比于传统修复方法，3D打印技术为修复路面的裂缝、坑槽等病害提供了便利，加快了施工进度，减少了交通拥堵；2）3D打印技术为沥青混合料、沥青改性剂等道路材料的运用提供了新的技术支持；3）与传统道路施工相比，3D打印技术使得道路施工更加智能化、信息化。

4 不足与展望

目前，虽然3D打印技术可运用于道路工程领域，但仍有不足：1）3D打印技术适合打印的道路材料有局限，技术不够成熟；2）成本高，且技术要求严格。

由于3D打印技术的不断进步，其在道路工程上的应用范围会更广。当前3D打印技术还存在着许多不足，仍需加强研究。在未来，3D打印技术会与路面材料、路面结构等领域结合，从而更加智能化地解决道路工程问题。同时，未来的研究可以从道路新材料、交通标志、道路结构、路面病害等方面入手，充分利用3D打印技术的优势，解决道路工程中的各类问题。