熔融层积技术在超大尺度建筑结构3D打印中的应用*

周 鸣，陈晓明，张 昱，石 峰

(1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；2.上海市机械施工集团有限公司，上海 200072；3.上海面向典型建筑应用机器人工程技术研究中心，上海 200072；4.上海酷鹰机器人科技有限公司，上海 201906)

0 引言

3D打印技术即快速成型技术，也称为增材制造技术，是指在计算机控制下层叠原材料，实现3D物体的建造。根据不同的原材料处理方式可将3D打印技术细分为熔融层积技术、激光选区熔化技术、直接金属激光烧结技术、选择性激光烧结技术、熔丝制造技术、立体光刻技术、数字光处理技术、分层实体制造技术等。

目前，国内外已将3D打印技术应用于建筑领域，如阿姆斯特丹采用选择性激光烧结技术打印了城市河道人行景观桥，打印周期为3年；荷兰埃因霍温理工大学与荷兰建筑集团BAM Infrastructure合作采用熔融层积技术打印了长8m、宽4m的自行车专用混凝土平桥；我国采用熔融层积技术打印了上海智慧湾科创园混凝土步行桥(打印周期为半年)及上海桃浦中央绿地公园景观桥(打印周期为22d)，原材料为塑料粒子，成本较低。

1 熔融层积技术打印流程

考虑建筑领域打印构件质量、成本、尺寸等，熔融层积技术最具推广应用价值。该技术可在成本较低的情况下，打印具有一定强度、优异耐候性的大型构件。

熔融层积技术打印流程如图1所示。基于建筑领域超大尺度3D打印理论依据及质量监督要求，借助计算机算法进行控制，分析打印过程中的理论模型轨迹，为超大尺度打印试验提供依据。打印机构分为运动机构及末端喷头，基于打印过程的切片运算轨迹数据，分析实际打印过程中的运动机构碰撞和打印构件翘曲风险。

图1 熔融层积技术打印流程

1.1 数据传输

将3D STL网格模型导入计算机进行切片分析，形成打印运动轨迹，并将运动轨迹转换成打印设备可读取的Gcode形式，导出至3D打印机中。数据传输是将3D模型进行离散，并通过运动控制点重新表述。

运动控制点应在容量可控的情况下尽量减小弦高误差，保证表述模型尽量还原原始模型，提高打印精度。运动控制点连成的轨迹线即为运动轨迹。

1.2 构件翘曲检测

超大尺度3D打印构件易发生翘曲、开裂现象。由3D打印热历史试验可知，影响打印构件脱底、层间开裂的关键指标为打印轨迹单层控制时间。

通过对运动轨迹进行打印前模拟仿真分析，计算单层控制时间，结合STL打印模型的网格面倾斜角度，分析打印构件层间薄弱连接点，指导实际打印过程。需对薄弱处进行人工干预加固，以提高打印质量。

在grasshopper上使用自主开发的算法对输入的网格模型进行悬垂角判断(见图2)，输入的打印模型为由三角面片组成的网格模型，正式打印前需比对网格中的每个三角面片法线向量与xy平面的夹角，如果夹角>45°，在该处位置打印易造成翘曲或塌陷。因此，需重新优化模型，并调整打印路径。

图2 检测模型

1.3 打印设备运动机构碰撞检测

超大尺度3D打印运动机构多为龙门式3D打印机、六关节机器人3D打印机。

Gcode命令指向的运动控制点在打印机内部需进行求逆解运算，将每个运动控制点转换成电机控制信号。对于六关节机器人3D打印机，逆解运算可能造成打印机打印姿态怪异，易损伤打印机本体。如果逆解值超出正常范围，机器人在该位置会发生过扭自损伤。对于龙门式3D打印机，打印过程中可能发生喷嘴碰撞，如图3所示。

图3 六关节机器人运行时碰撞示意

每次打印前需对打印设备及打印喷头进行运动轨迹模拟，提高打印过程安全性，避免设备损伤。

1.4 关键参数的结合

运动轨迹对于打印构件质量至关重要，因此，采用熔融层积技术时，通过单层打印时间分析预测构件热历史，提取特征点，赋予特征点特定的打印参数，改进打印过程，形成新的打印工艺与打印参数包，如图4所示。

图4 打印参数包

2 熔融层积技术打印要点

2.1 总体设计要求

1)打印时应考虑成型方式及建筑领域工程特点。

2)应根据应用场景及成本选择合适的打印材料，需考虑材料力学性能与耐候性等。

3)应根据应用场景选择合适的打印机构。

2.2 模型可打印性深化

打印前应深化模型可打印性，打印模型应尽量避免产生回抽，提高构件打印质量。

因构件打印完成后临时支撑难以去除，并考虑成本等因素，深化超大尺度3D打印构件模型可打印性时，应尽量避免应用临时支撑。

2.3 既定模型轨迹切片

根据打印设备硬件及打印材料调整打印工艺参数。使用打印参数对于深化后的打印模型进行轨迹切片，并导出Gcode文件。

2.4 倾斜角度分析

模拟运行打印路径，分析路径层间外扩角度，当上、下层外扩角度>45°时，易发生塌料，导致材料无法垒砌。如存在上、下层外扩角度>45°的塌料点，需记录塌料点及其在模型中的位置，重新对模型进行深化设计。

2.5 打印构件热历史分析

模拟运行打印路径，计算单层打印时间，分析打印构件层间热历史。对单层打印时间进行严格控制。如果单层打印时间过长，会导致打印过程中构件层间开裂及翘曲，下层材料层积至上层时温度不够高，导致层间结合性较差；如果单层打印时间过短，会导致打印过程中出现塌料现象，下层材料层积至上层时温度不够低，材料会发生塌陷，影响打印质量。

2.6 运动机构碰撞分析

1)调整打印构件坐标系，根据打印设备仿真模拟打印路径，分析运动机构碰撞周边物体的可能性。

2)分析六关节机器人3D打印机各关节值是否处于正常范围内，过大的扭动会损伤打印机本体。

3)分析六关节机器人3D打印机喷嘴是否碰撞打印机本体，监测打印全过程，如发生碰撞，标红喷嘴模型。

4)打印时按先内层后外层的顺序，保证构件表面质量。检查进刀点、退刀点、回抽是否正常。

2.7 打印参数优化

1)针对模型轨迹倾斜角度分析结果，在薄弱处添加支撑或填充物，防止因角度不够而塌料。

2)根据打印路径热历史分析结果，当单层打印时间过长时，提高打印速度和喷头挤出转速，在保证打印设备正常工作、打印线宽一致的同时缩短单层打印时间；当单层打印时间过短时，降低打印速度和喷头挤出转速，在保证打印设备正常工作、打印线宽一致的同时延长单层打印时间。

3)将调整后的打印参数记录到Gcode文件对应特征点中，得到优化后的打印路径，如图5所示。

图5 打印参数调整

2.8 上机打印

实际上机打印前，应检查打印系统、运动机构、供料系统、空压机、喷嘴是否正常运行。调整打印坐标系与设定坐标系一致，在喷头无法挤出材料的情况下，直接打印前3层，观察实际运行情况是否与模拟情况一致，运动机构是否与周边物体产生碰撞等。

3 熔融层积技术在景观桥中的应用

采用熔融层积技术打印的景观桥冲破传统桥梁设计的束缚，将参数化的数字构建方式融入其中，利用快速成型技术对设计进行实时反馈，使建造更智能、设计更自由。

3.1 桃浦3D打印景观桥

上海市普陀区桃浦中央绿地3D打印景观桥“时空桥”长15.25m，宽3.8m，高1.2m，结合传统书法，采用“大略如行云流水，初无定质，但常行于所当行，常止于所不可不止”的设计理念，如图6所示。将景观桥所有构件，如桥身、栏杆、传力结构等纳入外观体系一体化设计，强调桥体外观整体性，通过不对称的变形设计为桥体获得强烈的运动感及张力感，相互套叠的内部空间、流动的坡道和如山峦层叠的栏杆呈现出中国山水意境般的空间形象，并融于桃浦中央公园之中。

图6 “时空桥”效果

桥梁外部整体桥形构件打印工艺如下：①进行空间多维度双曲面数字化设计；②通过专用软件进行力学搭载模拟仿真及拓扑优化仿真设计；③借助专用切片软件，结合各种路径及填充算法，生成数控系统可识别的G代码(打印轨迹)。桥梁剖面打印路径模型如图7所示。

图7 “时空桥”剖面打印路径模型

3.2 成都3D打印景观桥

3D打印景观桥“流云桥”位于成都桃都大道东段驿马河公园曲水坊景观湖之上，整桥长66.58m，宽7.25m，高2.7m，3D打印桥全长22.5m，宽2.6m，高2.7m，桥梁形态设计灵感来源于驿马河区域内自由奔腾的河流，如图8所示。自由灵动的曲线，酷似丝带的抽象形态，伴随着光影的变幻，能够产生极具艺术感的视觉享受，同时满足桥梁对功能和空间的需求。

图8 “流云桥”效果

3D打印“流云桥”采用的总体技术路线如下：将造型复杂的桥段分成20段进行熔融沉积成型，形成分段打印构件(见图9)，承重结构采用钢箱梁，独立的打印构件通过机械连接方式与钢箱梁进行可靠连接，分段构件之间采用双组分丙烯酸结构胶进行防水嵌缝处理，在现场进行分段组装。

分段构件打印工艺如下：①每段构件通过专用软件进行力学搭载模拟仿真及拓扑优化仿真设计；②借助专用切片软件，结合各种路径及填充算法，生成数控系统可识别的G代码(打印轨迹)。

图9 “流云桥”分段

4 结语

对于超大尺度3D打印构件，打印失败将造成严重的材料、时间损失。因此，需采用模拟仿真技术进行指导，以提高打印成型质量、良品率、打印可靠性。

考虑打印构件质量、成本、尺寸等，熔融层积技术在建筑领域的应用较广，具有推广应用价值，已在成都驿马河公园“流云桥”、泉州连绵带3D打印景观桥中得到应用。熔融层积技术可在成本较低的情况下，打印具有一定强度、优异耐候性的大型构件。