超大尺度高分子复合材料3D打印技术
研发与应用
内
容
摘
要
以 树脂材料 作为 基材 ，以 纤维 为 增强材料 ，采用 原位反应加工技术 ，可研发适合于超大尺度构件增材制造的高分子复合材料。可通过控制 环境温度、材料熔融温度、玻璃化温度、单层打印时间 等打印工艺参数，解决打印构件由于迅速降温导致的翘曲及变形过大的问题。可借助 三维扫描设备与温度场检测设备 ，从物理及化学层面对打印构件质量进行评定。
高分子复合材料研究
超大尺度高分子复合材料3D打印技术 可缩短原材料加热周期，降低成本，且打印性能更好。应用于建筑领域的高分子复合材料需具有 高机械性能、高耐候性、高稳定性、高阻燃性， 且可 回收利用 ，满足 绿色环保 要求。由于采用全新的材料加工方式，高分子复合材料需选用热塑性聚合物，其特有的长链结构在熔融成型过程中，受分子链构象调整和链段运动速度的影响，无法完全释放材料内应力，将导致打印构件存在翘曲、开裂、层间脱节等质量隐患。因此，需对材料进行系统性研究，得到满足建筑使用的数据，以指导实际工程。
1）机械性能
为满足应用场景的力学性能需求，需对熔融沉 积后的 材料拉伸 及 弯曲模量、缺口冲击强度、线性膨胀系数 等性能参数进行测试，并收集测试数据。测试时需采用单一控制变量原则，保持其他打印参数不变，打印样条标准式样如图1所示，取样后借助专用流变仪、拉伸应变仪进行破坏测试，放入专用温度应变测试仪中测试线性膨胀系数。所有样条完成测试后，取加权平均值得到最终机械性能数据。
图1 打印样条标准式样
多次测试结果表明，样条xy向（水平方向）线性膨胀系数较小，而z向（竖直方向）较大，这是因为xy向为连续打印方向，复合材料分子链结构较稳定，而样条沿z向通过热应力黏结，样条自身热量主要向竖直方向扩散。样条z向力学性能较差，通常将 竖直方向拉伸与弹性模量（层间结合力） 作为衡量打印质量的重要指标。
2）耐候性
耐候性研究内容主要为复合材料分子式中弱键发生的化学反应（如氧化反应）及其引发的一系列反应，如泛黄、相对分子质量下降、制品表面龟裂、光泽丧失、力学性能下降等，从而影响高分子复合材料制品的正常使用。 材料耐候性对建筑构件至关重要 ，通常采用自然老化及氙灯/紫外灯加速老化测试材料耐候性，其中自然老化测试结果吻合性更强，但由于测试周期较长，已逐渐被淘汰。因模拟自然光的加速老化测试方法（氙灯/紫外灯加速老化测试） 与3D打印特性更匹配，得到了广泛应用。
测试时将样条放入高温或高湿度老化试验箱一段时间后，测试相关力学性能数据，从而得出材料抗紫外老化力学性能保留率，并对相关数据进行横向对比。
3）打印稳定性
采用 原位反应加工技术 制备而成的颗粒料，由于复合了纤维及多种助剂、辅材，仍需进行实际挤出与打印测试，根据初始熔融温度自然降至环境温度的材料状态，验证材料配合比的正确性及3D打印稳定性。热塑性树脂中的非结晶材料普遍较稳定，而结晶材料由于自身存在 双玻璃化温度 ，熔融挤出后因分子链运动导致结构发生变化，易产生线条裂变，如图2所示。如有打印线条裂变、不光泽、颜色发生明显变化等现象发生，说明高分子复合材料打印稳定性较差，需对添加的纤维及助剂、辅材用量及种类进行变动。
图2 材料打印稳定性测试结果
打印设备研究
超大尺度高分子复合材料3D打印设备主要由 运动机构、高流量挤出装置、配套辅助系统、控制系 统 等组成。整套设备打印空间范围为15m×4m×1.5m，稳定运动速度为10000mm/min，定位精度为±0.1mm，打印速度为12kg/h，打印头口模直径为5～8mm， 可 验 证 的 打 印 系 统 连 续 稳 定 工 作时长≥720h。
1）运动机构
为实现超大尺度构件打印，可采用龙门式或机械臂式运动机构，如图3所示。
图3 运动机构
针对建筑领域的实际应用需求，采用 龙门式运动机构 。根据打印构件、功能区域尺寸要求，确定打印设备加工制作空间尺寸。综合考虑大部分建筑结构部件尺寸、模板打印与拼装普遍需求、打印构件自底板取出并装车的便捷性、运输过程安全性与经济性、打印工艺深度研发需求等，确定运动机构x轴龙门行程为24m，y轴龙门行程为4m，z轴龙门行程为 2.5ｍ。
打印设备采用 动横梁式龙门 ，内部加工净宽为4ｍ，对横梁变形要求高，因此设计时需对横梁进行结构验算与仿真分析。采用由齿轮、齿条驱动龙门移动的数控机床，由固定工作台、x轴移动龙门、y轴移动拖板及z轴移动拖板组成。
2）高流量挤出装置
高流量挤出装置是3D打印核心装备之一，考虑到挤出机需安装在龙门滑枕上，质量越小越好，以便控制打印精度，因此对挤出装置进行不断改进，最终设计出大型立式单螺杆挤出机，包括 传动装置、加料装置、料筒、螺杆、加热装置、口模 。单螺杆挤出机结构简单可靠，坚固耐用，操作简单，塑料原料进入料筒后，通过加热套对原料进行加热融化，挤出螺杆将融化后的原料通过动力输出端挤出口模。
第1代1kg级挤出装置如图4所示，适用于机械臂式运动机构，但由于常规建筑构件体量较大，如采用该装置，打印耗时较长，且由于产量较小，相关打印构件性能指标较差，无法满足实际应用需求。
图4 第1代挤出装置
对 挤出系统地螺杆及内部传动机构 进行了迭代升级，同时对挤出系统进料装置进行了创新，研发出 第2代挤出装置 ，大大提升了挤出产量及稳定性，如图5所示。
图5 第2代挤出装置
为解决3D打印原料挤出量大时，打印原料遇到的成型不稳定、层间黏结能力差、质地不均匀等问题，研发出材料流态控制系统，主要包括 安装底座、拍打板、电机安装底座、传动装置、传动杆和导 向装置 等。
将产量提升至20kg/h，并对挤出系统与数控系统交互及联动控制进行了升级，将打印工艺控制内容加至挤出装置自动化控制中，研发出了 第3代高流量挤出装置 ，如图6所示。新增无极变速控制，即针对单圈长度不同，控制单层打印时间不变，更改挤出装置产量及设备系统运动速度，保障了整个打印构件温度场。采用第3代高流量挤出装置打印的构件层间结合力较大，大大提高了产品质量。
图6 第3代挤出装置
3）控制系统
龙门设备均采用 主、从驱动同步耦合 进行轴控制，2个伺服电机共同承担荷载。通过扭矩补偿控制器实现伺服电机之间的扭矩平衡分配，并根据伺服电机具体性能分配相应的负载扭矩。
因齿轮间隙问题导致长行程的精度损失，在数控系统中引入 双电机 反向消隙功能，2个电机通过齿轮与赤道仪的主齿轮啮合，并按双电机消隙控制曲线进行驱动，，不会出现 2个电机输出转矩同时为零的情况。
数字化打印工艺
3 D打印作为 智能建造 的重要技术之一，离不开数字化的工艺流程，涵盖 数字化设计 与 数字化加工 ，3D打印数字化工艺流程如图7所示。
图7 3D打印数字化工艺流程
1）拓扑优化。 规划出符合力学性能要求的晶格分布，根据晶格分布规划出适合 超大尺度3D打印 路径模型，如图8所示。通过路径模型逆向模拟出构件理论打印模型，根据打印材料性能参数进行强度分析，验证构件强度是否满足要求。拓扑优化填充率一般设为10%～20%，大大节省了打印用料，降低了打印成本，且成型后的模型满足应用场景力学性能要求。
图8 打印路径模型
2）质量稳态控制。 可通过控制 环境温度、材料熔融温度、玻璃化 温度、单层打印时间 等打印工艺参数解决打印构件 由于迅速降温导致的翘曲及变形过大的问题，揭示 打印构件层间黏结力和打印温度场的关系及不同 材料打印界面层温度控制值与玻璃化温度的关系， 实现层间黏结力达材料强度的60%。
3）重叠打印控制。 进行横向及纵向刀偏补偿，在外壁路径控制参数中新增错层高度和横向重叠量，提高了打印构件在外壁结构的横向与纵向黏结力，保障了打印构件储热能沉积能力，使挤出材料温度长时间位于玻璃化温度之上，大大减小了构件翘曲和变形，在很大程度上提升了构件整体力学性能，且双道或多道外壁之间的层间结合更好，多道轮廓间无空隙，如图9所示。
图9 重叠打印示意
通过对比扫描模型与原设计模型尺寸误差及打印 过程中热历史数据，判断打印构件质量是否满足要求，为超大尺度打印构件质量评定标准化奠定基础。
工程应用
1)大型景观桥
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，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，似丝绸之路在面前展开。一面扶手设计为“一山连两翼”的形式，另一面扶手设计为“两山夹一城”的形式，使其更好地融入周围自然景观中，如图10所示。造型优美的“流云桥” 历时45d完成打印，打印加工过程均为自动化，大大减少了人工投入。与传统开钢模制造异形造型的桥梁相比，节约50%以上的工期与成本。
图10 成都 3D打印“流云桥”实景
2)异形混凝土模板
随着个性化设计的深入，异形混凝土模板的需求量越来越大。将超大尺度高分子复合材料3D 打印技术应用于异形混凝土模板打印，具有制造工艺简单、生产周期快、节省人工等优势，如图11所示。
图11异形混凝土模板
3) 景观小品
对城市园林景观功能的要求已从追求外在的形象整洁美观，转向城市生态功能提升、自然资源保护、城市生态安全保障及城市可持续发展能力提 升等。 采用超大尺度高分子复合材料3D打印技术建造的景观小品自带美观造型，兼具多功能性，如图12所示。
图12 3D打印一体式休憩亭
