3D打印在交通工程领域的应用.pdf

第6 期（总第2 90 期）2023年6 月D0I:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.065城市道桥与防洪URBANROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL成果应用3D打印在交通工程领域的应用崔迪，赖宇豪,廖师靓,马彩霞（大连交通大学土木工程学院，辽宁大连116 0 2 8）摘要：近几年，由于3 D打印技术的快速发展，其应用范围不断扩大，为许多行业的转型升级提供了宝贵的契机。目前3 D打印技术广泛应用于航空航天、材料、医疗、汽车、建筑等行业，得到了良好的反馈。因此，研究人员开始关注3 D打印是否能与交通工程领域相结合。简单总结了3 D打印技术的类型与优势，概述了3 D打印技术在桥梁工程、道路工程以及轨道交通（主要为铁道方面）三个领域的应用，指出3 D打印技术在这三方面的应用大多处于探索阶段，并对3 D打印技术在交通工程领域的应用前景进行了展望。关键词：3 D打印；桥梁工程；道路工程；轨道交通中图分类号：U12文献标志码：A文章编号：10 0 9-7 7 16(2 0 2 3)0 6-0 2 50-0 6省原材料等优点4。3 D打印技术自身的特性使其可以0引言应用于各个行业中，具有一定的发展前景。以医疗行增材制造（AM)是一种使用三维计算机辅助设业为例,KlarmannJ等5 利用3 D打印技术研制了一计模型来制造成品的技术，而3 D打印技术也是增种“通用型”的人体半月板组织修复装置，该装置可以材制造中的一种。该技术基于电脑中3 D模型数据，进行修整,以匹配患者手术修复过程中清理的相应损利用数控成型系统和相应的软件，通过激光束、热融伤区域。IvanovStoyan等6 指出3 D打印技术被认为喷嘴等加工方法对树脂、金属粉末、陶瓷粉末等多是治疗复杂髋白骨折的一种高效方法，能加快术后患种材料进行层层粘结，最后逐层叠加出成品1-2 。3 D者的康复。McKayKatlynG等7 提出3 D打印在儿童打印常用的印刷材料有铝合金、镀银、尼龙玻璃纤腹部肿瘤学病例中的应用是创新性的,在未来的病例维、不锈钢、石膏材料、钛合金、耐用尼龙材料、镀中可以起到辅助微创手术的作用。随着科研水平的提金、橡胶材料等。根据成型工艺的不同，可对3 D打高，3 D打印技术在上述领域的应用已经从初步加速印技术进行分类，具体内容见表13 。术后患者的恢复逐渐迈向了解决肿瘤等疑难杂症。除表13 D打印技术分类3 生物医疗领域外，3 D打印技术也被广泛应用于材料、类型累计技术挤压熔融沉积(FDM)电子束自由成型制造（EBF）线控直接金属激光烧结（DMLS）电子束熔化成型（EBM）选择性激光熔化成型（SLM）粒状选择性热烧结（SHS）选择性激光烧结（SLS）粉末层喷头石膏3 D打印(PP)分层实体制造（LOM）层压立体平板印刷（SLA）光聚合数字光处理(DLP)与常规的生产加工方式相比，3 D打印具有加工时间短、成型速度快、组装难度低、经济效应高、节收稿日期：2 0 2 2-10-18基金项目：辽宁省重点研发指导计划（2 0 19JH8/10100091）；国家自然科学基金（518 7 8 10 8）作者简介：崔迪（197 8 一），女，博士，副教授，从事结构抗震及智能材料结构研究工作。航天、汽车、建筑等行业中8-13 。由于3 D打印技术在这些领域上应用的反馈较为良好，所以研究人员开始关注3 D打印技术在交通工程领域的研究与应用。下文归纳了近些年3 D打印技术在桥梁工程、道路工程、轨道交通三个方面的研究与应用,并对3 D打印技术在交通工程领域的应用前景进行了展望。13D打印在桥梁工程上的应用3D打印技术在桥梁工程领域中以探索性实验为主，例如公园景观人行桥、仿古代桥梁模型、部分混凝土构件等,很少应用于实际工程中。其中最主要的原因是缺少与3 D打印相关的设计规范及质量评定规范。这导致在最终工程验收时没有统一的标准，无法判断桥梁的安全性，所以制约了3 D打印技术在实际桥梁工程上的发展。下文简单总结了国内外3 D打印2502023年第6 期崔迪，等：3 D打印在交通工程领域的应用城市道桥与防洪桥梁的概况。西班牙阿尔科文达斯桥于2 0 16 年12 月完工。建筑公司先于工厂中利用设备3 D打印出8 个微型钢筋混凝土节段,再对节段进行加工，最后拼接成桥梁。该桥梁全长12 m，宽为1.7 5m，是世界上首座3D打印桥梁14，如图1所示。2 0 17 年10 月荷兰Gemert3D打印桥梁由埃因霍温理工大学与BAMInfra建设公司合作建造，全长8 m，宽3.5m，高0.9m，如图2 所示。经过安全测试显示，这座大桥可以承载重达5t的负荷。2 0 19 年10 月2 1日，3 D打印赵州桥模型在河北工业大学校内竣工。该桥全长2 8.10 m，桥宽4.2 0 m，单拱跨度为18.0 4m，是当时世界规模最大的3 D打印步行桥，如图3 所示15。2 0 2 1年7 月份，MX3D大桥被安装在阿姆斯特丹的市中心,配备了传感器，可以记录人群流量、时间、监控桥梁形状、载荷、振动等信息。通过这些数据，一方面可以确保桥梁安全，另一方面也为未来桥梁设计提供参考数据，如图4所示。在上海宝山智慧湾科创园落成的3D打印人行桥宽度3.6 m，全长2 6.3 m。该桥梁为单跨拱桥，拱脚净跨14.4m，在打印过程中并未涉及到钢筋的使用，如图5所示16 。2 0 2 4年巴黎奥运会主办方将修建一条长40 m的3 D打印混凝土人行天桥。该天桥由多家公司共同合作完成，在混凝土的使用上更为节省，与传统结构相比，3 D打印技术预计少使用6 0%的混凝17 。图3 3 D打印赵州桥图4MX3D打印桥图5上海3 D打印人行桥装桥梁过程中的实际情况，简要概述了打印构件特点和整座桥梁安装的工艺。吴晓风等19 研究了景观图1阿尔科文达斯桥图2 荷兰Gemert桥对于实际桥梁工程，3 D打印景观桥是工程应用上的又一次尝试与推广。所以3 D打印景观桥的力学特性也需要的关注与研究。陈晓明等18 基于现场拼桥静动力性能,初步验证了结构的可靠性。郝明洋等2 0 研究了超大尺度3 D打印景观桥制造材料的多种力学性能及物理特性。通过对材料力学特性的探讨，学者指出在选用打印材料时，需确保打印构件z向力学性能，同时材料中的纤维掺量也会对最终的打印构件造成影响。陆承麟等2 1 在3 D打印技术的基础上，结合5轴联动计算机数控技术，完成了对成都市驿马河公园“流云桥”的建造。综上所述，目前3 D打印桥梁在大多数情况下仅仅是作为观赏物和模型，由于其只能承载行人或者自行车，不能满足汽车、客车等重型交通工具的承载要求，所以3 D桥梁还未真正投入实际工程应用中。251城市道桥与防洪23D打印在道路工程的应用2.1道路材料传统道路材料主要包括沥青、水泥、石灰、工业废料、钢铁、工程聚合物、木材等材料及它们组成的混合料。对于水泥混凝土，考虑到强度、凝结时间、骨料最大粒径与形状、流变性等因素都会对最终的3 D打印材料造成影响，因此学者对3 D打印混凝土的物理性质和力学性能进行了集中的探讨，研究了它们之间的关系2 2 。除了上述传统的水泥基材料外,许多其他材料，如地质聚合物基材料2 3 也可用于制备3 D打印混凝土。此外，基于我国不断发展的科技能力，3D打印技术可用于制造超高性能混凝土、智能混凝土以及多功能混凝土，如纳米水泥基复合材料，自感知混凝土和自愈合混凝土等2 4-2 5。这些新型道路材料具有更好的力学性能，在一定程度上可以延长道路寿命，为我国实现“智能路面、绿色交通”的目标奠定基础。2.2道路施工设计自由、可以大批量制造以及操作智能化是3D打印的主要优势。但由于3 D打印材料的部分性能并不能很好的满足实际路面的要求，同时我国也缺少大尺寸的3 D打印设备，所以未能在道路领域中大范围使用3 D打印技术。在目前实际工程应用中，研究人员通常先研制出适合3 D打印的道路材料，然后利用3 D打印机预先制造出优化后的路面板，最后将其用于现场道路的铺设。在道路施工前，会不断对该路段设计方案进行试错纠正，并制造出施工模板。但这一工序会耗费大量的人力物力，导致过度支出。相比之下，虽然3 D打印用到的材料有时会混合较为昂贵的化学外加剂，但打印过程中并不需要制造模板这一环节，这在一定程度上节省了施工的成本。彭玉龙等2 6 提出3 D打印技术可以作为确定施工方案的技术手段，全方面展现结构的承载情况，监测了施工过程，在一定程度上保证了多种工序作业的连续性。李楠楠等总结了3 D打印技术在道路施工上应用可以极大程度缩短施工时间，降低施工成本与难度2 7 。冯宝平等2 8 采用目前较为完善的光固化成型技术和数字化光处理技术，尝试打印了规格集料，证明了利用3 D打印技术制备规格均一的标准沥青路面集料可行，所以学者继续沿着这个方向进行了试验研究。何小刚等2 9 的试验结果为实际沥青混合料试验修正方法提出和实验室水平评价标准制定奠崔迪，等：3 D打印在交通工程领域的应用定了基础。修正方法的提出和评价标准的设立令工程项目中的监测数据更为精确可靠，在施工方案和路面养护方面也有一定的价值体现。2.3道路修复道路修复的主要目的是提高路面的耐久性和适用性，保证道路行车安全。路面发生损坏后若未能及时修复及养护，不但对路面会产生更大的破坏，还会引起不必要的经济损失。在进行路面修复时，为了降低施工带来的潜在危险性，需要封闭施工路段。由于日渐增加的道路交通量，进行交通管制将造成诸多的不便，例如该路段道路拥堵交通量倍增、该区域内市民的通勤时间延长等。所以利用3 D打印技术“打印”修复材料，以此来修补道路病害，可以降低交通管制所需时间，相比传统的病害修复方法，3 D打印技术还可以减少施工人员的工作量和道路修复所需物料，提高道路修复效率。因此，如何将3 D打印技术更好地应用于路面修复工程中是学者未来重要的研究方向。In-fra-Rob是由欧盟委员会研究计划“Horizon2020”资助的研究项目，旨在通过自主机器人化解决方案和模块化维护道路基础设施的完整性、性能和安全性。在该项目中，Cantisani Giuseppe等通过实施3D打印机系统来修复道路路面坑洼病害3 0 。混凝土路面可能因干燥收缩而开裂，常规路面修复会导致养护期间发生道路交通堵塞而产生一定的损失。因此JaeheumYeon等3 1 利用3 D打印技术对开裂混凝土路面进行修复，并论证了该方法的经济价值和结构实用性。在此基础上,研究人员将FDM的改进型3D打印机与图像采集平台、图像处理算法和路径规划方法相结合,形成了自动路面裂缝封堵平台,可自动检测路面裂缝并使用乳化沥青密封胶进行封堵。李结义等3 2 提出了间接3 D打印法和直接3 D打印法来修复损伤路面。间接3 D打印法的原理是3 D打印修补贴片，然后将其附加在路面损坏处。该方法的优点是弥补了3 D打印复合材料的局限性，但预制模型与实际的损伤部分不能完全贴合，修复效果差。直接3D打印法是在路面损害部分进行原位打印修补，因此修复精度高，但无法实现复合材料的打印，只能局限于路面裂缝的修补。在实际工程中，研究人员应基于现场情况，采用适当的方法对损伤道路进行修复。2.4道路设施（声屏障）利用3 D打印技术成型声屏障可以缩短施工时间3 3 。3 D打印声屏障时，施工人员先于工厂中利用2522023年第6 期2023年第6 期崔迪，等：3 D打印在交通工程领域的应用城市道桥与防洪设备打印出屏体，然后再将屏体运输至现场进行安装,这与前文提及的3 D打印桥梁与路面板流程基本一致。2020年苏州绕城高速增加一道3 D打印声屏障，该屏障高4.5m，长3 7 0 m，采用波浪形设计，降噪效果达到3 0 dB以上，如图6 所示。2 0 2 2 年中冶宝钢钢渣3 D打印声屏障落地上海市金山区S19高速公路并通过验收。该声屏障降噪能力大幅度提升，同时也具有施工时间短、使用寿命长、低碳环保等多种优点，符合绿色低碳发展的宗旨。由于城市道路的快速发展，市区内的噪音问题也越来越严重。本文认研究人员可