周明丞 何蕓蕓

【摘要】增材制造技術在近年來快速發(fā)展，在加工獨特、復雜幾何形貌產品方面具有顯著優(yōu)勢，制造成本和時間花費也在逐年下降，已經被廣泛應用于機械、航天等領域。應用在建筑工程領域的增材制造技術又被稱為3D打印建造，在機場項目中有著巨大的應用前景。文章在總結已有研究成果的基礎上，結合成都天府國際機場中的實際構件分析介紹非金屬和金屬增材制造技術的特點和成本，重點針對適用于建筑領域的技術進行可行性分析，并進一步展望未來增材制造技術在機場項目中的應用前景。

【關鍵詞】增材制造;3D打印建造;機場項目;復雜構件;可行性

【中圖分類號】 TU59【文獻標志碼】 A

增材制造（additivemanufacturing，AM）技術，又稱快速成型（rapidprototyping）、3D打印技術，是以三維模型數據為基礎，通過材料逐層堆疊的方式來制造物體的工藝。與傳統(tǒng)的減材制造通過切割材料毛坯"減去"材料以創(chuàng)建最終產品不同，這項技術通過"逐步添加"材料來形成最終產品。世界各國對增材制造技術高度重視， "中國制造2025"也已將其列為重點發(fā)展的關鍵性制造技術之一。

應用在建筑工程領域的增材制造技術又被成為3D打印建造，多位中國工程院院士認為3D打印建造是具有全局影響力的土木建筑工程科技發(fā)展新方向，并提出了加快我國3D打印建造技術發(fā)展的建議[1]。

相較于傳統(tǒng)制造方法， 3D打印建造利用計算機數字模型打印建立實體結構，在加工獨特、復雜幾何形貌產品方面具有顯著優(yōu)勢。同時，增材制造技術在近年來快速發(fā)展，制造成本和時間花費正在逐年下降，已經被廣泛應用于機械、航天等領域。在建筑工程領域， 3D打印建造也被應用于拓撲優(yōu)化節(jié)點、人行橋、建筑小品等的制造加工中[2-3]（圖1）。

機場項目屬于重點建設項目，是展現城市形象的門戶，具有復雜曲面多、獨特要求多、材料耗量大的特點。3D打印建造能夠快速實現具有獨特幾何形貌的復雜構件，在機場項目中有著巨大的應用前景。本文在總結增材制造技術研究成果的基礎上，基于成都天府國際機場項目中的實際構件，針對性探討目前較為成熟的增材制造技術在加工這部分實際構件的成本和可行性，旨在為后續(xù)機場建設項目提供新的工藝思路，推廣機場建設領域的3D打印建造。

1增材制造技術研發(fā)進展

1.1增材制造技術分類

工業(yè)級增材制造技術主要可以根據原材料分為金屬制造、非金屬制造以及面向醫(yī)用生物材料的生物結構制造3類。根據 Is0和AsTM聯合發(fā)布的標準 Is0/AsTM52900[4]，增材制造技術又可以根據進料方式和工藝原理分為七大類，如表1所示。

這些技術可以采用包括激光、電子束、電弧、超聲波、后燒結、攪拌摩擦等作為熱源，對包含不銹鋼、鈦合金、鋁合金等988種金屬、ABs 塑料等1222種聚合物以及219種復合材料進行加工，將原材料（包括粉末/顆粒、絲材、帶材、液體等多種形態(tài)）加熱至完全熔融、部分熔融和膠粘劑熔融等狀態(tài)形成最終產品[5]。對于實際產品，還可以分為由機器直接打印產品的一步增材制造，由機器打印模具、介質等再形成產品的多步增材制造和結合多種增材制造和減材制造技術完成產品的復合增材制造。

在眾多技術中，非金屬增材制造技術中立體光刻（sLA）、熔融沉積制造（FDM）、多射流熔融（MJF）以及金屬增材制造技術中的選擇性激光熔融技術（sLM）、電弧增材制造技術（wAM）技術成熟度較高，以這些技術為基礎的一步多步和復合增材制造技術在建筑工程領域有望得到進一步應用推廣。

此外，屬于復合增材制造技術的混凝土3D打印建造也得到建筑領域越來越多的關注和研究，并已經在建筑小品、小型建筑中得到工程應用[6]。

1.2增材制造產業(yè)鏈發(fā)展

經過數十年發(fā)展，增材制造技術已經從學術研究走向工程實踐。根據 AMFG協(xié)會發(fā)布的2020行業(yè)白皮書，截止2020年，已有130家設備制造商、31家軟件制造商、47家原材料供應商和11家后處理服務商，已形成一個完整的產業(yè)鏈，同時2019年中國的相關產業(yè)市場規(guī)模已經達到30億美元，并被估計會很快成為全球最大的增材制造市場[7]。

但同時，現階段增材制造技術仍然面對著成本、標準化等方面的挑戰(zhàn)，尚且不能用于規(guī)?；I(yè)生產。由蘇黎世聯邦理工學院等機構合作編寫并于世界經濟論壇發(fā)布的2022年增材制造業(yè)前景展望白皮書和賽迪智庫發(fā)布的相關白皮書顯示：增材制造產品的設備和原材料成本較高，降低成本任重道遠;現有訂單主要面向高度復雜性獨特產品的小規(guī)模制造，缺乏完善的標準和認證體系，影響技術的拓展應用[8]。

1.3增材制造技術主要優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)生產制造方法，增材制造技術的主要優(yōu)勢體現在其強大的成型能力和無需模具的高效生產。具體表現在：①幾何加工能力強，可建造復雜空間結構;②無需支模搭架，可實現結構一體化建造成型;③材料使用效率高，環(huán)保節(jié)約，材料基本無浪費;④快速高效，制作周期短;⑤材料種類豐富，適用范圍廣，可多材料同時打印[9]。

非金屬增材制造技術中的sLA適用于成型精度較高的較大尺寸產品;FDM適用于低成本成型精度要求不高的小型產品;MJF在打印效率、質量控制、冷卻時間、處理流程方面有優(yōu)勢，但設備成本較高。金屬增材制造技術中，sLM技術加工產品精度質量較好但成本較高且有尺寸限制，主要適用于高要求小型節(jié)點加工;wAM可以在大氣環(huán)境下進行加工，適用于低精度要求的大尺寸構件?；炷?D打印技術，相較于傳統(tǒng)施工方法，可避免搭架支模拆模等工序，節(jié)約大量材料和人力[6]。

2增材制造技術在機場項目中應用可行性探討

2.1增材制造技術分解成本模型

Aditya等[10]結合已有研究通過成本分解給出增材制造的估算模型。增材制造產品成本可以進一步細分為式（1）所示。

式中： CZ 為產品合計成本;CJ為機器成本，CC 為材料成本，CL 為勞動成本，CH為后處理成本。

對于每種成本又可以進一步考慮5個層級的影響因素，如圖2所示。其中，第一級和第二級為主要的基本參數和影響因素，第三級和第四級為成本構成參數。

以機器運行成本為例，按實際使用時間乘以單位時間成本計算如式（2）所示。

式中： CJY 為機器運營成本;TY 為設備預備時間，TZ 為材料裝載時間（包括支撐材料），Ts 為參數設定時間，TJ為產品加工時間，TZ 為產品拆卸時間，TC 為機器清潔時間;CJYH 為每小時機器運行成本，CJN 為考慮使用壽命和利率的購買成本（現值）;NT 為每月工作天數;EH 為每天工作小時數。

通過逐項估計分解成本，匯總可以得到整個加工過程的估計成本。通過估算成本模型可以估算各類增材制造技術的成本，從而探索其在機場項目中的可行性。

2.2非金屬增材制造技術應用可行性分析

2.2.1非金屬增材制造技術研究進展

非金屬增材制造技術可以進一步分為有機高分子和無機非金屬材料增材制造，有機高分子增材制造是以有機材料（包括光敏樹脂、超高分子量聚合物、蠟材、高性能工程塑料等）為原料，無機非金屬增材制造是以無機非金屬材料（包括氧化鋁、氧化錯、碳化硅、氮化鋁、氮化硅等）為原料。值得注意的是目前常用的 ABs、光敏樹脂等材料耐熱性抗火性通常較差，無法滿足直接在機場這類公共建筑的主體結構中使用，應特別注意材料的選用[11]。

表2中為部分典型工業(yè)級非金屬3D打印的力學性能特點和大致成本，實際構件還需要根據自支撐設計、表面后處理等要求具體確認報價。整體來看，目前直接打印的工業(yè)級一步增材制造成本較高、力學性能影響因素多且成型尺寸受限，在機場建設領域可用于幾何外形復雜的裝飾性構件、建筑小品等，不適用于主體結構。

因此，現階段非金屬直接增材制造在機場建設領域應用較少。但通過增材制造完成模板的多步增材制造技術，以及增減材分段打印的復合增材制造技術發(fā)展迅速，在未來機場建設上有望發(fā)揮重要作用。

2.2.2大型構件增減材分段打印

針對建筑構件尺寸較大、力學性能耐久性要求較高等特點，大型構件的非金屬增減材復合分段打印成為現階段3D 打印建造的研究應用熱點。

成都流云橋項目就采用增減材機器人分段打印完成鋼-高分子復合材料組合結構：結構總長22.5 m，寬度2.6 m，總高2.7 m，平立剖面均存在曲面造型;結構采用內置鋼箱梁作為承力主結構，鋼梁下翼緣兩端共設置8個支座，外部橋形打印構件與鋼梁采用螺栓連接并鋪設橡膠墊;打印構件采用熔融沉積成型技術，為避免發(fā)生翹曲變形，采用"分段打印、組拼成型"方法，沿水平弧向分為20段，每段長約1.15 m，接縫寬度約20 mm;打印構件面板上再進一步鋪設塑膠步道[14]（圖3）。

通過這項技術完成的流云橋力學性能優(yōu)良（打印的帶原位反應玻璃纖維增強AsA工程塑料拉伸強度達到100 MPa， 抗拉強度達到147 MPa），時間成本與人工成本較低（打印時間30 d，加工時間15 d，現場只需拼接），打印效果優(yōu)良（結合造型參數化設計、結構拓撲優(yōu)化、3D打印路徑算法優(yōu)化及現場安裝質量控制，成品曲線造型自由自然而靈動）[15]。

在未來機場建設項目中，類似的大型曲面建筑小品以及類似人行橋均可采用這項技術，打造造型獨特的室內室外景觀。

2.2.3非金屬快速模具技術

基于增材制造的快速模具制造又稱快速模具技術，根據是否直接作為模具使用分為間接快速模具和直接快速模具，按照模具材料的硬度又可以分為軟模和硬模，常用的技術包括：采用 FDM、sLs、sLA、L0M等技術制備硅橡膠、熱固性樹脂等材料的快速軟模以及快速間接硬模[16]。

面對復雜曲面構件，非金屬快速模具技術相較于傳統(tǒng)模板能夠大量節(jié)省人工費和材料費，且成型精度和制造速度也能得到大幅提升。

以天府國際機場 GRG板為例，設計剖面和平面（包括全部外圍檐口）如圖4所示， GRG板剖面形狀較復雜，在轉角處加工難度更大，屬于較復雜的曲面構件。

經過市場詢價，采用傳統(tǒng)模板制作的 GRG和通過 FDM、 s1A打印模板后再制作構件的不含稅單價詳見表3。

可以發(fā)現，采用快速模具技術制備異形 GRG板具有顯著成本優(yōu)勢，同時相較于傳統(tǒng)模板能大幅降低人工需求，較少制備時間，在未來機場建設的異形構件制備中能夠得到進一步應用。

2.2.4混凝土3D打印建造技術

相較于其他增材制造技術，以增材制造思想直接面向建筑工程進行創(chuàng)新的混凝土3D打印建造技術在現階段實際工程應用中優(yōu)勢更為明顯。與傳統(tǒng)施工相比，這項技術能夠實現結構一體化建造成型，生產無需模具，已經被廣泛應用于小型建筑物、擋墻、混凝土永久模板等構筑物中[17]。

混凝土3D打印建造技術可直接打印構件，但堆疊的層間界面缺陷導致力學性能呈空間各向異性，并會受到材料配比、打印路徑、加載方向等參數影響，抗壓強度存在較大的離散性，在設計時可將其視為各向異性彈塑性材料進行有限元分析[9]。利用3D打印強大的成型能力和無需模板的特點，可利用拓撲優(yōu)化、參數化設計等技術探索出經濟高效結構形式的建筑形式。圖5為目前已有的部分工程案例，其中迪拜辦公樓還通過了28 t破壞性試驗測試[17]。孫曉燕等[9]通過試驗得到的3D打印混凝土抗壓強度可達到45 MPa，且具有良好的氣密性水密性和保溫隔聲性能。

考慮到3D打印混凝土力學性能存在顯著差異，現階段還以3D打印混凝土作為混凝土構件的外側永久模板，從而在可采用原規(guī)范設計的基礎上，有效避免傳統(tǒng)方法搭建支模的困難，在曲面造型構件已經得到了一定應用。圖6是典型的混凝土模板，根據市場詢價，這類3D打印 C30混凝土模板2綜合單價約為160～200元/m，并可視作5 mm混凝土外殼體。如圖6所示，3D打印混凝土永久模板造型具有一定美感，可直接作為裝飾面使用，如需光滑墻面進行抹灰，也可以進行額外加工處理。

總體來看，3D打印混凝土可數字設計，一體化精密成型，機械化程度高，施工速度快，整體封閉性好，在復雜曲面造型的構件中總體造價也較低，在未來機場建設項目中可進行探索與應用。

2.3金屬增材制造技術應用可行性

2.3.1 sLM技術簡介

在眾多金屬增材制造技術中，選擇性激光熔融技術（sLM）、電弧絲材增材制造技術（WAM）在建設領域鋼結構制造方面具有顯著優(yōu)勢，有望在未來機場的建筑小品、優(yōu)化節(jié)點、復雜鋼構件制造中得到應用。

由于sLM打印產品的力學性能會受到眾多因素的影響，如原材料粉末、主要工藝參數以及sLM設備等。同時，sLM不銹鋼制品在較高的溫度梯度和快速冷卻過程中形成的外延生長晶體、微觀缺陷和熔池邊界等獨特的微觀結構以及殘余應力也是使制品表現出獨特的力學性能的重要影響因素[18]。

結合已有研究成果，sLM316L不銹鋼制品彈性模量范圍為172.61～215.55 GPa，屈服強度為446.90～583.47 MPa， 極限強度為576.22～734.43 MPa， 延伸率為20.69%～49.56%，泊松比為0.267～0.314[18]。屈服強度和抗拉強度能夠達到甚至高于同種類不銹鋼未退火處理的鍛件水平。制造成本在4.5～6元/g之間，現階段打印成本較高，但隨著技術進步正在逐年下降。

由于目前較高的制作成本，sLM在機場建設中的應用主要還停留在空間節(jié)點拓撲優(yōu)化節(jié)點制備的理論研究階段。經過拓撲優(yōu)化的節(jié)點能顯著減少原始節(jié)點在最不利工況下的低效單元，降低節(jié)點質量，獲得合理而美觀的新型節(jié)點，如圖7所示，部分節(jié)點甚至能在更低的質量下取得更大的剛度[2，18]。隨著sLM技術的進步，拓撲優(yōu)化和增材制造技術的聯合應用有望在機場空間鋼節(jié)點中發(fā)揮獨特作用。

2.3.2拓撲優(yōu)化節(jié)點的增材制造技術

WAM技術與其他制造技術相比，沉積速率高、制造成本低、可成形對激光反射率高的銅、鋁等材質，此外它最顯著的優(yōu)勢是采用機械手臂在大氣環(huán)境下作業(yè)，產品尺寸不受設備成型缸和真空室尺寸限制，不需要添加輔助支撐的優(yōu)點。但同時，由于電弧的成形位置由焊槍、焊絲及機器人的位置共同確定，可達性及精度比激光低， WAM 技術成型能力較差。

根據 Wei等[20]的研究，WAM 技術316不銹鋼制品的拉伸強度在533.3-619.49 MPa。同時，相較于sLM技術，雖然 WAM技術的成型精度較差，但其打印成本僅為sLM技術的1/3左右，且打印尺寸不受限制，已經被 MX3D公司應用在鋼橋和繭狀咖啡廳中，如圖8所示，成為項目獨特亮點。因此，在未來機場項目建設中，WAM 技術也是一種極具發(fā)展前景的復雜形狀大零件制造技術。

3結束語

總體來看，我國的建筑行業(yè)是典型的具有勞動密集型特點的傳統(tǒng)產業(yè)，在粗放型的管理模式下具有勞動強度大、工業(yè)化程度低、工作環(huán)境差等固有特點。這導致很多工程項目存在建造成本高、難以實現復雜結構、環(huán)境污染嚴重、材料浪費大等問題，而伴隨著人口老齡化和勞動力減少， "用工荒"現象日益嚴峻。

增材制造技術是一種綠色化、智能化、工業(yè)化的現代智能制造技術，對提升建筑行業(yè)工業(yè)化水平，促進行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展具有重要工程實踐意義，但目前工程實踐還處于起步階段。

本文在總結已有研究成果的基礎上，結合成都天府國際機場中的實際構件分析介紹非金屬和金屬增材制造技術的特點和成本，重點介紹了現階段具有可行性的大型構件增減材分段打印、非金屬快速模具技術、混凝土3D打印建造技術、拓撲優(yōu)化空間節(jié)點的sLM制備和 WAM技術，旨在推廣和探討在未來機場建設項目中增材制造技術的工程實踐。

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