望突破傳統(tǒng)3D打印遇到的尺寸限制,，大尺度3D打印LS3DP

來(lái)源：今日新材料

3D打印（增材制造）可用于自動(dòng)化制造建筑元件，以用于摩天大樓、飛機(jī)、火箭和太空基地等大型結(jié)構(gòu),，無(wú)需人工干預(yù)。然而,，大尺度3D打印的廣泛應(yīng)用,，首先必須克服材料、工藝,、打印機(jī)和軟件控制方面的諸多挑戰(zhàn),。

在全球材料和能源消耗中，大型結(jié)構(gòu)（如建筑物）占有很高的比例,，并且有待提升其傳統(tǒng)制造工藝,。3D打印（或稱增材制造）是一項(xiàng)可持續(xù)的顛覆性技術(shù),，正在徹底改變建筑和航空等諸多行業(yè),。3D打印包括創(chuàng)建數(shù)字設(shè)計(jì)（環(huán)保且易于轉(zhuǎn)換為3D對(duì)象并進(jìn)行迭代），然后進(jìn)行快速和智能的增材工藝（不需要模具并利用多個(gè)自由度）,。該工藝過(guò)程,，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以最大限度地節(jié)省了材料,，并免除了模板和/或模具需求,，以減少了資源浪費(fèi)。然而,，傳統(tǒng)3D打印技術(shù),，大多局限于微米級(jí)到米級(jí)的制造,，并且面臨著一些尚未解決的問(wèn)題，例如無(wú)法實(shí)現(xiàn)多功能打印,，這阻礙了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如建筑物,、飛機(jī)和火箭）的自動(dòng)化制造,。

自2010年以來(lái)，大尺度3D打印 (LS3DP) 已成為克服這些限制的解決方案,。大尺度3D打印LS3DP已經(jīng)成功應(yīng)用于一些標(biāo)志性建筑項(xiàng)目,，如上海普陀橋（中國(guó)第一座3D打印聚合物橋梁，總打印長(zhǎng)度為15.3米）3,；成都大橋（目前世界上最長(zhǎng)的3D打印聚合物橋梁,，全長(zhǎng)66.8米,，打印長(zhǎng)度21.6米）；SCG S&T大樓（中國(guó)第一個(gè)3D打印的可居住和可交付的兩層建筑,，高6米）4,；中國(guó)商飛C919飛機(jī)（3D打印翼肋3米）；以及人族1號(hào)火箭（33.5米高,，85%的機(jī)身都是打印的）,。

然而，大尺度3D打印LS3DP的采用,，仍然受到一定程度的限制,，因其龐大尺度帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，特別是在精度和效率之間的必要折衷,。較厚層打印,，以最小化打印時(shí)間的必要性，對(duì)打印結(jié)構(gòu)的形狀,、精度,、質(zhì)量和性能產(chǎn)生不利影響。因此,，大尺度3D打印LS3DP,，將極大地受益于材料、工藝,、打印機(jī)和軟件控制,，以促進(jìn)大尺度3D打印的廣泛采用。

圖1: 大尺度3D打印的概述和未來(lái),。大尺度3D打印 large-scale 4D printing（LS3DP）的廣泛采用,，取決于工藝、材料,、打印機(jī)和軟件控制方面的創(chuàng)新,。大尺度3D打印LS3DP有潛力用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化制造，如建筑物,、火箭甚至太空基地,。

開(kāi)發(fā)合適的材料和工藝
目前使用的材料，無(wú)論是在傳統(tǒng)的3D打印還是在大尺度3D打印LS3DP中,，都是來(lái)源于傳統(tǒng)制造材料,。例如，3D打印建筑通常使用水泥基材料,、聚合物,、金屬材料和木質(zhì)材料。3D打印飛機(jī)和火箭部件，包括金屬材料或合金,、聚合物,、陶瓷和復(fù)合材料。然而,，為了實(shí)現(xiàn)不同尺度和功能,，必須通過(guò)使用新的添加劑、修正現(xiàn)有材料或自動(dòng)化制備生產(chǎn)線,，以擴(kuò)大可打印材料的范圍5,，以使其適用于大尺度3D打印LS3DP。此外,，必須開(kāi)發(fā)新材料制備工藝,，將不可打印材料轉(zhuǎn)化為可打印材料，例如以增材制造作為數(shù)字材料合成方法,。簡(jiǎn)單地說(shuō),，這一策略包括直接使用3D打印設(shè)備制造合成材料。該路線包括,，從微觀尺度精確設(shè)計(jì)待合成材料的化學(xué)成分和物理性質(zhì),，創(chuàng)建待合成材料的高精度微觀和宏觀三維模型，并將其轉(zhuǎn)換為可打印的程序,。這種方法有望創(chuàng)造出功能梯度材料,、智能材料、工程活性材料甚至超材料,，這無(wú)疑超越傳統(tǒng)制造或自然界材料,。

此外，由于3D打印是一種逐層添加工藝,，在大尺度打印結(jié)構(gòu)中,，不能忽視傳統(tǒng)3D打印中的幾個(gè)典型問(wèn)題（如打印層之間的弱結(jié)合、材料缺陷1和各種各向異性2）,。因此,，需要制定減輕這些限制的策略。實(shí)例包括具有不同拉伸強(qiáng)度材料的同時(shí)打印,、打印和結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的同步,、通過(guò)打印路徑設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，以及通過(guò)物理化學(xué)處理的材料改性,。

還需要開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的工藝,，如大尺度4D打�,。↙S4DP）,，其中，第四維指的是依賴于時(shí)間的轉(zhuǎn)換。大尺度4D打印,，可用于開(kāi)發(fā)可控的多功能結(jié)構(gòu),，使用具有感知、進(jìn)化,、學(xué)習(xí),、適應(yīng)、組裝,、保留記憶和愈合能力的材料,。大尺度4D打印LS4DP需要可控和可編程的響應(yīng)和/或智能材料，其響應(yīng)外部刺激（或觸發(fā)打印結(jié)構(gòu)中的移位的編程控制）,，并且可以使用機(jī)械模型進(jìn)行研究,，以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和控制所需的變化。大尺度4D打印LS4DP還必須克服打印結(jié)構(gòu)尺寸固有的新挑戰(zhàn),，例如在多次循環(huán)變化后,，無(wú)法有效恢復(fù)到原始狀態(tài)。盡管如此,，大尺度4D打印技術(shù),，為高性能結(jié)構(gòu)工程提供了潛在的應(yīng)用，其中形狀,、性能和功能是自調(diào)節(jié)的,。

創(chuàng)建集成和多功能結(jié)構(gòu)
大多數(shù)小尺度和常規(guī)尺度3D打印，僅限于單一材料,、單一工藝的打印,，這使得制造具有多種特性和功能的產(chǎn)品變得困難。例如,，可以打印大型飛機(jī)的機(jī)身和建筑物的墻壁,，但不能同時(shí)打印飛機(jī)的功能部件和必要的電子元件，也不能將管道和電纜集成到建筑物的墻壁中,。因此,，理想情況下，大尺度3D打印LS3DP應(yīng)該是多尺度（涵蓋宏觀,、介觀,、微米和納米尺度）、多材料（集成剛性到柔性材料）和多工藝（結(jié)合多種工藝,，如傳統(tǒng)3D打印或減式制造或在它們之間切換）,，以實(shí)現(xiàn)完全集成和自主制造。這項(xiàng)大尺度3D打印技術(shù)的潛在應(yīng)用,，涉及太空中的自維護(hù)車輛和人工生態(tài)系統(tǒng),，以及氣候適應(yīng)性,、低能耗、低碳和完全互動(dòng)的智能建筑,。

克服尺寸限制
對(duì)于打印具有不同尺度,、形狀和功能的大型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)與各種工藝和材料兼容的打印設(shè)備,，是至關(guān)重要的,。基于大尺度3D打印LS3DP打印機(jī)的構(gòu)造有兩種方法,。第一種是預(yù)制3D打印,，即將大型結(jié)構(gòu)分割成適當(dāng)大小的組件，然后將這些組件打印出來(lái),，再與可靠的連接器組裝在一起,。第二種是整體3D打印，將大型結(jié)構(gòu)分成適當(dāng)厚度的層,，然后逐層打印大型結(jié)構(gòu),。然而，對(duì)于適用于任何一種方法的大尺度3D打印LS3DP打印機(jī),，必須是靈活的,，并且具有可擴(kuò)展的打印范圍。

因此,，需要開(kāi)發(fā)新型打印機(jī),，如模塊化導(dǎo)軌自適應(yīng)放大3D打印機(jī)、具有打印和同步支持的3D打印機(jī),，以實(shí)現(xiàn)懸掛式水平結(jié)構(gòu),、移動(dòng)3D打印機(jī)或工廠以及3D打印移動(dòng)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，以實(shí)現(xiàn)水平方向的無(wú)限打印,。在垂直方向上,，開(kāi)發(fā)自攀爬3D打印機(jī)、可附著在打印結(jié)構(gòu)上的攀爬3D打印機(jī),、可穿越打印層的爬行3D打印機(jī)器人以及仿生3D打印機(jī)器人6,，可以幫助實(shí)現(xiàn)無(wú)界打印unbounded printing。

提高打印精度和效率
為了高效,、準(zhǔn)確地控制打印,，保證打印過(guò)程的安全性，確保最終打印結(jié)構(gòu)滿足預(yù)期目標(biāo)和功能,，必須開(kāi)發(fā)定量的打印控制方程和關(guān)系,，使預(yù)期目標(biāo)與打印工藝、材料和打印機(jī)相匹配,。在該過(guò)程中,，還需要結(jié)合材料適印性數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)控制打印,。最后，大尺度3D打印LS3DP需要僅在結(jié)構(gòu)或功能需要的地方打印材料7,，在正確的位置打印正確類型的材料（具有最佳比例）,，并打印獨(dú)特功能的獨(dú)特結(jié)構(gòu)1,，從而主動(dòng)確保打印結(jié)構(gòu)的高性能和多功能性,。

適應(yīng)極端環(huán)境的大尺度3D打印
自動(dòng)化大尺度3D打印LS3DP還可滿足極端環(huán)境中的迫切需求，這些極端環(huán)境對(duì)人類操作員來(lái)說(shuō)是高風(fēng)險(xiǎn)的,，例如地下或?yàn)?zāi)后現(xiàn)場(chǎng),、廢棄的核設(shè)施或水下。此外,，大尺度3D打印LS3DP非常適合用于空間探索的空間基地建設(shè)8,，這些基地需要遠(yuǎn)程、無(wú)人和現(xiàn)場(chǎng)建設(shè),。然而,，在實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用之前，仍然需要克服各種挑戰(zhàn),。值得注意的是,，為了在原地建造建筑物，有必要開(kāi)發(fā)自動(dòng)化設(shè)備,，以概述工程調(diào)查,，收集必要的自然資源，并準(zhǔn)備和打印材料,。對(duì)于后者,，一種解決方案是使用可遠(yuǎn)程控制的輕型3D打印機(jī)器人。

可持續(xù)性考慮
還必須考慮材料在整個(gè)生命周期中的可持續(xù)使用,，包括材料設(shè)計(jì),、原材料生產(chǎn)和提取、可打印材料的制備,、運(yùn)輸和輸送,、產(chǎn)品打印和制造、產(chǎn)品使用,、維護(hù)和維修,、回收和再利用。除了開(kāi)發(fā)新材料外,，將生活和生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量廢物（工業(yè),、建筑、家庭和農(nóng)業(yè)固體廢物）轉(zhuǎn)化為可打印材料,，將是可持續(xù)地最大限度利用資源的一種方式,。計(jì)算優(yōu)化的數(shù)字設(shè)計(jì)（例如,，導(dǎo)致從微觀到宏觀結(jié)構(gòu)尺度的拓?fù)鋬?yōu)化）和高度優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，也可用于減少材料的使用和最大化材料資源的節(jié)省7,。在微觀和宏觀尺度上,，同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)和打印，可以產(chǎn)生高效,、多功能的結(jié)構(gòu)9,，與傳統(tǒng)方法獲得的結(jié)構(gòu)相比，這些結(jié)構(gòu)在節(jié)能和減少二氧化碳排放7等方面,，表現(xiàn)出更好的性能10,。此類高效結(jié)構(gòu)包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和仿生結(jié)構(gòu),，這些結(jié)構(gòu)更加環(huán)保,、輕質(zhì)和高性能（由于結(jié)合了各種特性，如高強(qiáng)度重量比,、高耐熱性和高可靠性1）,。

展望未來(lái)
在材料、工藝,、打印機(jī)和軟件控制方面的不斷進(jìn)步,，大尺度3D打印LS3DP，有望突破傳統(tǒng)3D打印遇到的尺寸限制,，實(shí)現(xiàn)任意形狀大型結(jié)構(gòu)體的全自動(dòng)化,、無(wú)人化建造（圖1）。這種大尺度3D打印方法,，還可以通過(guò)同時(shí)打印內(nèi)部多功能組件和電線,，以實(shí)現(xiàn)集成制造。這樣的系統(tǒng),，將更安全,、更高效、更智能和更環(huán)保,，為打印結(jié)構(gòu)提供以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能和性能,，并大大減少全球資源的消耗�,？梢栽O(shè)想,，將大尺度3D打印和人工智能相結(jié)合，將促進(jìn)分散式制造decentralized manufacturing,。下一代大尺度3D打印LS3DP,，將通過(guò)云控制的可靠和容錯(cuò)3D打印數(shù)字孿生，提供遠(yuǎn)程協(xié)作管理和打印,。通過(guò)這個(gè)全球云平臺(tái),，消費(fèi)者不僅可以與3D打印服務(wù)商進(jìn)行溝通,，還可以設(shè)計(jì)和構(gòu)建定制產(chǎn)品，處理3D打印模型,，將處理后的文件傳輸?shù)皆平K端,，設(shè)置參數(shù)并遠(yuǎn)程控制打印。


參考文獻(xiàn)
1. Gu, D. et al. Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science 372, eabg1487 (2021).
2. Ngo, T. D. et al. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges. Compos. B Eng. 143, 172–196 (2018).
3. Zuo, Z. et al. Experimental research on transition from scale 3D printing to full-size printing in construction. Constr. Build. Mater. 208, 350–360 (2019).
4. Chen, S. & Zuo, Z. Shanghai Construction Group builds China’s first on-site 3D printed habitable and deliverable two-story building, which is a national key R&D program demonstration project. Shanghai Construction Group
https://mp.weixin.qq.com/s/7jGrrEZMYm0dD0k3iuoCRA (2022).
5. Schaedler, T. A. & Carter, W. B. Architected cellular materials. Annu. Rev. Mater. Res. 46,187–210 (2016).
6. Zhang, K. et al. Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots. Nature 609, 709–717 (2022).
7. De Schutter, G. et al. Vision of 3D printing with concrete — technical, economic and environmental potentials. Cem. Concr. Res. 112, 25–36 (2018).
8. Cesaretti, G. et al. Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology. Acta Astronaut. 93, 430–450 (2014).
9. Bechthold, M. & Weaver, J. C. Materials science and architecture. Nat. Rev. Mater. 2, 17082 (2017).
10. Vantyghem, G., De Corte, W., Shakour, E. & Amir, O. 3D printing of a post-tensioned concrete girder designed by topology optimization. Automat. Constr. 112, 103084 (2020).

文獻(xiàn)鏈接
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
本文譯自Nature,。