楊 炯 黃桂林*

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用稱為3D打印建筑，通過使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)或其他制造3D模型的軟件來建造數(shù)字模型，通過設(shè)計(jì)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(jī)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(gòu)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(dǎo)致施工過程中構(gòu)件或者建筑產(chǎn)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(dāng)混凝土流動性過小或者凝固速度過快時(shí)，在施工過程中又會造成許多嚴(yán)重的質(zhì)量問題及施工難題，如打印噴頭堵塞，層間粘結(jié)降低等。因此打印油墨必須保持有適當(dāng)流動性和凝結(jié)速度，這樣就必然會產(chǎn)生一定程度上的形變，因此建議使用另一種補(bǔ)救方法，通過物理切割打磨或者補(bǔ)漿填涂找平來實(shí)現(xiàn)建筑或者構(gòu)件表面的平整光滑。國際上目前應(yīng)用最廣的是輪廓工藝和D-Shape打印技術(shù)，但是這兩種技術(shù)都存在一定的問題，本文將應(yīng)用一種新的打印設(shè)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(xué)工程師比洛克·霍什內(nèi)維斯發(fā)明的，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)和附屬構(gòu)件的自動化建造，每個建筑均可定制設(shè)計(jì)，復(fù)雜曲線也可實(shí)現(xiàn)。輪廓工藝的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于將3D打印機(jī)安裝于龍門架上，通過龍門架在預(yù)設(shè)軌道上的縱向移動和打印機(jī)在橫梁上的橫向移動使噴頭在打印過程中精確勾勒出構(gòu)件的輪廓，同時(shí)在打印噴頭的側(cè)面安裝有用于修飾打印構(gòu)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(gòu)件表面不平整的現(xiàn)象。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于泥刀可以自動調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)泥刀的機(jī)械臂上安裝有感應(yīng)系統(tǒng)，通過對打印構(gòu)件表面的掃描自動調(diào)節(jié)泥刀的角度按照電腦設(shè)計(jì)的外形要求改善打印構(gòu)件的表面狀態(tài)；由于泥刀是安裝在噴頭外側(cè)的，因此可以根據(jù)建筑裝飾的需要進(jìn)行單側(cè)或者雙側(cè)的表面修改以此達(dá)到設(shè)計(jì)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(zhì)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(shí)間內(nèi)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(jié)時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)必然會有坍落度，而且坍落度的大小直接影響建筑構(gòu)件的表面形態(tài)，坍落度又受材料性能及配合比的影響，關(guān)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(chǎn)生了建筑材料的浪費(fèi)，受3D打印技術(shù)—“增材制造”工藝本身特性的影響，建筑打印由于高度及構(gòu)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(fèi)，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(chǎn)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(xì)骨料和膠凝材料為打印材料的大型3D打印機(jī)——D-shape，這種打印機(jī)是通過改變打印機(jī)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(gòu)件表面不平整不光滑的問題。該3D打印機(jī)的打印頭底部有數(shù)百個噴嘴，當(dāng)打印機(jī)開始工作的時(shí)候，這些噴嘴會噴出鎂質(zhì)黏合物，將砂子噴撒在黏合物上逐漸鑄成石質(zhì)固體，并形成特定的形狀，最終形成石質(zhì)建筑物。D-Shape打印機(jī)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(jì)算機(jī)操控，打印完成后的建筑體質(zhì)地類似于大理石，這種新型材料比混凝土強(qiáng)度更高，不需要內(nèi)置鋼筋進(jìn)行加固[2]。同時(shí)不同于混凝土材料具有流動性并且需要必要的凝結(jié)時(shí)間來達(dá)到一定的強(qiáng)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(shí)這種技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shù)的問題在于沒有使用混凝土作為建筑材料，同時(shí)由于鎂質(zhì)黏合物與砂鑄成的石質(zhì)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(shù)特點(diǎn)類似于使用了新型的高強(qiáng)度人工石材，從建造技術(shù)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(fù)工藝

該新型修復(fù)工藝的應(yīng)用是通過一種新型的3D打印建筑噴頭實(shí)現(xiàn)的，此工藝通過補(bǔ)噴漿液并在修補(bǔ)噴頭前后兩側(cè)添加滾輪實(shí)現(xiàn)紋理修補(bǔ)，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(jī)相連接的供噴頭總成來回滑動的導(dǎo)軌和與所述導(dǎo)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(dǎo)軌滑動的驅(qū)動裝置,以及安裝在所述驅(qū)動裝置下方用于修正打印成型物料側(cè)面平整度的修補(bǔ)裝置。本發(fā)明通過在成型盒兩側(cè)安裝有用于整平打印建筑側(cè)面的滾輪,并在滾輪之間設(shè)置有進(jìn)一步對打印過程中產(chǎn)生的層紋進(jìn)行填補(bǔ)的修補(bǔ)[3]。

3.1 工作特點(diǎn)

這種新型打印裝置工作狀態(tài)下需要預(yù)先鋪設(shè)供打印裝置移動的導(dǎo)軌，整個打印裝置通過水平滑移電機(jī)和水平偏轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，以滿足打印的需求。該裝置對于層紋的修補(bǔ)方式主要依賴于安裝在打印噴頭側(cè)面的修補(bǔ)裝置，為了保證修補(bǔ)效果，該裝置的修補(bǔ)需要在打印材料未硬化之前進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)裝置由滾輪和滾輪之間的修補(bǔ)噴頭共同作用對打印件表面進(jìn)行平整處理，修補(bǔ)噴嘴的前后兩側(cè)各有一個滾輪，前側(cè)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(shí)修補(bǔ)噴頭便可噴出足夠的漿料補(bǔ)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(shí)在修正打印件表面層紋的時(shí)候無形之中增加了構(gòu)件厚度，提高了構(gòu)件的承載能力，同時(shí)提高了打印建筑的安全性。

3.2 改進(jìn)措施

該裝置的主要缺點(diǎn)是整個打印裝置的移動必須依賴于導(dǎo)軌，然而導(dǎo)軌的鋪設(shè)存在線路長短及彎曲問題，及導(dǎo)軌的固定以及導(dǎo)軌整體的爬升都存在嚴(yán)重問題。受導(dǎo)軌整體攀爬難度的限制將嚴(yán)重降低打印效率。因此，我們可以拆除導(dǎo)軌，將導(dǎo)軌裝置換成龍門架，同時(shí)也可以去掉水平滑移電機(jī)和水平偏轉(zhuǎn)電機(jī)，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(biāo)系的變換下，產(chǎn)生平面層的堆積，最終產(chǎn)生不同類型的建筑結(jié)構(gòu)。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(jié)合可充分發(fā)揮3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

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