科学家研发大规模3D打印技术，为打印大型结构打开新大门

大型结构比如建筑、桥梁、隧道的建造方式非常传统，材料浪费十分严重。但由于其体积庞大，故在全球材料和能源消耗中的占比非常高。

同时相比互联网等行业，施工现场的工作环境不太友好，不仅劳动强度特别大而且非常危险。

那么有没有一种技术可以改变它，从而让人们在舒适的工作环境里对这些“庞然大物”进行安全、轻松的施工？同时还能做到不浪费材料资源？

随着机器人技术的发展，3D 打印逐渐成为一种可能。对于 3D 打印技术很多人并不陌生，它可以打印蛋糕、手机壳、跑鞋、自行车、珠宝、甚至是牙齿......

同样使用这种 3D 打印技术，能否实现建筑物、飞机和火箭等大型结构的自动化制造？

答案是否定的。常规的 3D 打印技术，受限于微米级到米级的制造，同时也无法实现多功能的打印。

想要通过常规 3D 打印来加工大型结构，势必会带来许多新挑战，特别是在精度和效率之间的必要折中上。

为了让大型结构能在合适的时间内完成打印，必须增加打印层厚度，这不可避免会对打印结构的形状、精度、质量和性能产生不利影响。

为此，上海建工团队提出一种名为大规模 3D 打印（LS3DP，large-scale 3D printing）的技术，旨在突破打印尺寸的限制。

对于任意形状和不同材料的巨型复杂结构来说，在这种技术的帮助之下，它们的本体和内部功能结构将能实现自动化制造。

此外通过数字化的设计，可以最大限度地节省材料。而通过灵活聪慧的建造方式，则可以减少资源消耗，从而为打印结构提供此前无法实现的功能和性能，并且兼具简单、安全、高效、智能、绿色环保等优势。

具体来说，研究人员先是建立了与目标实物 1:1 的模型，再将该模型导入 3D 打印控制软件中。这时只需一台 3D 打印机，就可以像变魔术一样，以无人干预的方式，实现目标实物的自动化层层制造。

未来，通过拓展可打印材料的空间、研发多功能的工艺、开发能够克服尺寸限制的打印机、以及突破精度与效率矛盾的控制技术，预计 LS3DP 可被用于巨型复杂结构的自动化制造，比如建筑物、构筑物、高铁动车组、船舶、飞机和火箭的制造。

同时，这款技术还能满足高风险极端环境建造的需求，比如地下建设、灾后现场重建、核设施或水下设施建设、甚至是太空基地建设等。

日前，相关论文以《推动大尺寸 3D 打印的广泛应用》（Propelling the widespread adoption of large-scale 3D printing）为题，发表在 Nature Reviews Materials（影响因子 IF=83.5）[1]。

对于本次论文相关专家评价称：“这项研究为 3D 打印大型结构的发展打开了一扇新的大门。”并表示：“作者在材料、工艺、打印机和软件控制方面，为大尺寸 3D 打印技术的发展指明了方向。”

论文作者陈晓明（上海建工总工程师）说：“我希望通过 3D 打印这些数智化技术研发，加速行业转型发展”。

另一位论文作者左自波表示：“我希望通过更多类似 3D 打印技术的研究与实践，让工程建造更简单、更舒适、更经济、更安全、更高效，同时让工人通过新工具的使用，能够活得体面、受人尊重。”

而他目前所在的上海建工是一家世界 500 强国有特大性企业，曾建造了东方明珠、上海中心大厦、广州塔等中国不同时期最高建构筑物。

在 3D 打印装备上，该公司曾研发超大型高分子材料 3D 打印装备和大型混凝土 3D 打印移动平台。在 3D 打印工程上，其曾牵头完成中国首座高分子 3D 打印桥普陀桥、泉州 3D 打印桥、世界上最长 3D 打印桥成都桥等。

在本次研究的基础之上，研究人员将继续探索绿色可回收材料的 3D 打印技术、增减材一体化 3D 打印技术与装备、高精度清水混凝土 3D 打印技术，推进大尺寸 3D 打印的广泛应用。

参考资料：

1.Zuo, Z., De Corte, W., Huang, Y. et al. Propelling the widespread adoption of large-scale 3D printing. Nat Rev Mater (2023). https://doi.org/10.1038/s41578-023-00626-1.https://www.nature.com/articles/s41578-023-00626-1

排版：Euodia

发布于：北京

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