路面工程中3D打印技术的应用现状

路面工程中3D打印技术的应用现状

赖万春

赖万春

（四川省场道工程有限公司，四川，成都，610081）

【摘要】3D打印是通过逐层打印来构造三维实体的先进制造技术。本文在调研3D打印技术发展历程的基础上，总结分析了3D打印技术在水泥混凝土和沥青混凝土路面的应用现状，为3D打印技术在路面工程的应用提供重要的参考。

【关键词】3D打印；路面工程；应用现状

具有数字化、网络化、个性化、定制化特点的3D打印技术，被誉为“第三次工业革命”的重要标志之一，目前在航空、机械、医学、建筑等多领域有着广泛的应用。美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”，随着2013年我国将3D打印技术纳入了国家“863计划”，依托其技术优势，我国众多行业掀起了一场技术革新浪潮。

路面作为交通的最重要基础设施之一，因其自身结构单一等特点，3D打印技术应用前景广阔。本文从3D打印技术的定义出发，回顾3D打印技术的发展历程，总结分析了该技术在路面工程中的最新应用现状，为未来路面工程和3D打印技术的结合提供参考。

1、3D打印技术

1.13D打印技术的概念

3D打印（3DimensionalPrinting）是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，该技术以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体[2]。从成型方法方面看，3D打印技术属于快速成型，其实质是增材制造技术，可直接根据计算机图形数据，无需原胚和模具，通过增加材料的方法生成任何形状的物体。

1.23D打印技术的发展历程

中国物联网校企联盟把3D打印技术称为“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”，该技术的雏形出现在20世纪70年代初，当时被称为“快速成型”技术。1986年，ChuckHull发明了立体光刻工艺(SLA)并获得专利。同年，他成立世界上第一家名为3DSystems的3D打印公司，并于1988年生产出世界上第一台3D打印机SLA-250。1996年，3DSystems、Stratasys、ZCorporation分别推出了型号为Actua、Genisys、2402的三款3D打印机，第一次使用了“3D打印机”的名称。

进入21世纪，3D打印技术发展迅猛，3D打印机的产量以及销量得到了极大的增长，价格在逐年下降的同时，其应用领域也在不断扩大。2005年，彩色3D打印机[8]问世，随后3D打印的汽车（2010年）、飞机（2011年）、艺术品（2013年）相继出现。而该技术在传统建筑业也有长足进步，2015年1月，中国苏州某建筑公司利用回收材料3D打印出一套别墅以及一栋五层楼的楼房。

2、3D打印技术在路面工程中的应用现状

目前，3D打印技术在沥青混凝土路面中主要用于道面修复，而水泥混凝土路面则已尝试生产繁杂构建，受材料等方面限制，这些技术均还处于研究起步阶段。

2.1沥青混凝土路面的应用

先进铺路技术公司（AdvancedPavingTechnologies）的创始人JohnSmith在研究中发现，目前对沥青路面的坑槽病害的修补技术中，很难保持修复后的路面长久平整。因此，他提出利用3D打印技术制造出一种沥青路面3D摊铺机，这种3D摊铺机修复坑槽病害可大致分为三个步骤（如图1）：首先经过激光雷达3D扫描技术后编制精确的路表三维测量数据；并基于此，计算机建模程序将生成与坑槽相互补3D沥青混凝土层；最后3D沥青摊铺机直接将沥青混凝土修复材料“打印”到坑槽病害中，从而达到一个高平整度的路面。

这种新的修补路面方法利用3D打印的精确性提供路面较好的平整度，对交通影响较小，并可提高修复材料的利用率。但“打印”的修复材料在空气中的凝结时间、与原路面的粘结性等仍是该项技术需进一步解决的核心问题。

2.2水泥混凝土路面的应用

利用3D打印技术，水泥混凝土现可无模具成型，用于制造繁杂构件，完全改变了传统混凝土施工工艺。混凝土打印（ConcretePrinting）由英国拉夫堡大学建筑工程学院提出，该技术使用喷嘴挤压出混凝土并通过层叠法建造构件。

采用聚丙烯纤维混凝土的传统浇筑混凝土与3D打印混凝土性能对比如表1所示，可知二者性能接近，但“叠加”的3D打印混凝土各向异性明显，表1中的测量值是垂直于层间方向加载的，而当加载方向平行于层间方向时，抗压强度将减少15%，抗折强度减少36%。此外，3D打印混凝土层间空隙率变异大，相对应密度也会有较大差异。

表1模具浇筑混凝土与3D打印混凝土的性能对比

3、结论

（1）通过调研分析了3D打印技术在沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的最新应用，结果表明该技术在路面工程中尚处于还处于研发阶段。

（2）用于路面工程的材料不仅要满足3D打印技术原材料的要求，还要有足够的强度承受行车荷载，有足够的耐久性抵抗行车荷载的磨耗以及自然条件因素的影响。

参考文献：

[1]TheThirdIndustrialRevolution:TheDigitisationofManufacturingWillTransformtheWayGoodsareMade-andChangethePoliticsofJobsToo[J/OL].TheEconomist,2012-04-21.

[2]BoseS,VahabzadehS,BandyopadhyayA.Bonetissueengineeringusing3Dprinting[J].MaterialsToday,2013,16(12):496-504.

[3]GibsonI,RosenDW,StuckerB.Additivemanufacturingtechnologies[M].NewYork:Springer,2010.

[4]王子明,刘玮.3D打印技术及其在建筑领域的应用[J].混凝土世界,2015,01:50-57.

[5]Tess.AdvancedPavingTech'3DAsphaltPavertolaunchonKickstarteronOctober15,www.3ders.org.

[6]LeTT,AustinSA,LimS,etal.Hardenedpropertiesofhigh-performanceprintingconcrete[J].CementandConcreteResearch,2012,42(3):558-566.