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粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)
建筑
摘要：在建筑結(jié)構(gòu)中，墻壁需要以90°角（垂直）彼此定位。如果出現(xiàn)突出、彎曲或偏移的部分，都需要特殊的建筑模板，制造這種模板的傳統(tǒng)制造方式耗時(shí)耗力，而三維彎曲模板這樣的復(fù)雜建筑模板制作更是困難。粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)是制造建筑模板的新興技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)是快速、準(zhǔn)確的直接制造復(fù)雜建筑模板。
建筑模板是混凝土澆筑成形的模殼和支架，是一種臨時(shí)性支護(hù)結(jié)構(gòu)，按設(shè)計(jì)要求制作，使混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件按規(guī)定的位置、幾何尺寸成形，保持其正確位置，并承受建筑模板自重及作用在其上的外部荷載。
在建筑結(jié)構(gòu)中，墻壁需要以90°角（垂直）彼此定位。如果出現(xiàn)突出、彎曲或偏移的部分，都需要特殊的建筑模板，制造這種模板的傳統(tǒng)制造方式耗時(shí)耗力，而三維彎曲模板這樣的復(fù)雜建筑模板制作更是困難。粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)是制造建筑模板的新興技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)是快速、準(zhǔn)確的直接制造復(fù)雜建筑模板。
接下來(lái)，將分享一個(gè)粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)制造復(fù)雜建筑模板的案例。
精確、快速的復(fù)雜建筑模板制造
德國(guó)SAB（薩克森自由州的國(guó)家發(fā)展研究所），在總部建設(shè)期間準(zhǔn)備建造一個(gè)帶有中間平臺(tái)的半圓形樓梯，樓梯將安裝在支撐墻上。這就需要一個(gè)非常復(fù)雜而精確的混凝土模板，以實(shí)現(xiàn)樓梯平滑，均勻的曲線，SAB 將此工作委托給了模板供應(yīng)商Doka。經(jīng)過(guò)對(duì)樓梯模板設(shè)計(jì)的廣泛評(píng)估，Doka根據(jù)模板的復(fù)雜程度對(duì)不同表面進(jìn)行了分類：一類是傳統(tǒng)的具有圓柱形或圓錐形的單軸曲面；另一類是這個(gè)樓梯與眾不同的三軸曲面，也就是樓梯到支撐墻內(nèi)側(cè)的圓形懸垂。
- 建模模板的傳統(tǒng)工藝與3D打印工藝
用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)這種形狀三軸曲面是非常耗時(shí)的，在制作時(shí)先用木頭或是塑料銑削出模板，再進(jìn)行手工組裝，然后再進(jìn)行多次研磨和涂層。由于這種模板通常由各個(gè)單獨(dú)部分組合而成，需要粘合在一起。為了獲得均勻的混凝土表面，還需要多次對(duì)表面進(jìn)行砂磨和平滑處理。承載部件要采用有機(jī)材料并需要在張力狀態(tài)下組裝起來(lái)，而在施工現(xiàn)場(chǎng)，溫度和濕度的波動(dòng)乃至一般天氣條件的影響下，都容易發(fā)生裂縫，這明顯會(huì)影響質(zhì)量。
- Doka 的建筑模板和制造完成的樓梯結(jié)構(gòu)
Doka 選擇采用voxeljet-維捷的粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)來(lái)制造這個(gè)三軸曲面模板。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，voxeljet-維捷 使用其VX 4000 粘結(jié)劑噴射3D打印打印系統(tǒng)制造Doka 需要的建筑模板，該系統(tǒng)可生產(chǎn)總體積為 4.00 x 2.00 x 1.00 m 的建筑模板，打印速度為139 l / 小時(shí)。
相比傳統(tǒng)方式，粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)可以更快地生成組件，可以直接根據(jù)3D數(shù)據(jù)進(jìn)行模板制造，減少了工程工作量。由于這是一種數(shù)字化制造技術(shù)，如果建筑用戶在今后需要制造同一設(shè)計(jì)但不同尺寸的建筑模板，則可以通過(guò)尺寸修改，再次進(jìn)行3D打印，模板制造是易于重復(fù)的。此外，從設(shè)計(jì)到裝配的3D打印幾何形狀的數(shù)據(jù)一致性，保證了模板的高精度，高精度減少了現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)返工的后顧之憂。。由于材料均質(zhì)，受天氣條件影響小，使得質(zhì)量得到了保證。voxeljet-維捷制造的3D打印模板可承受高達(dá)100 kN /m的混凝土澆鑄壓力，對(duì)所使用的脫模劑和混凝土沒(méi)有限制。
3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在制造復(fù)雜建筑模板是更為明顯，特別是在多彎曲混凝土構(gòu)件的情況下，數(shù)字化和輕松的過(guò)程大大加快了建筑速度。根據(jù)幾何形狀的不同，采用粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)生產(chǎn)的模板最多可使用40次，這也降低了相同混凝土表面的成本。
- 3D打印模板設(shè)計(jì)、制造過(guò)程
在制造時(shí)，voxeljet-維捷在德國(guó)服務(wù)中心3D打印了七塊砂模，壁厚為21毫米，隨后使用環(huán)氧樹(shù)脂滲透獲得必要的剛性，然后經(jīng)多打磨和涂層之后，模板即可使用。打印完成后的后處理，增強(qiáng)了3D打印模板的耐候性和耐刮擦性。目前，在voxeljet 德國(guó)、中國(guó)、印度等地的3D打印服務(wù)中心，都可以提供建筑模板快速制造服務(wù)。
在工程中，3D打印模板還將需要與傳統(tǒng)模板相結(jié)合，為了能夠與Doka 標(biāo)準(zhǔn)的建筑模板組裝在一起，在設(shè)計(jì)3D打印三軸曲面模板時(shí)，設(shè)計(jì)師預(yù)留了組裝用的孔、連接插件。
這一3D打印模板在裝配時(shí)只需要通常裝配時(shí)間的十分之一。在組裝模板時(shí)，3D打印模板與Doka的CNC切割Xlife面板百分之百匹配，這種混合制造模板的方法保證了模板制造的成本效益。
-應(yīng)用效果
通過(guò)voxeljet 3D打印模板所制造的建筑樓梯混凝土澆筑結(jié)構(gòu)，沒(méi)有產(chǎn)生滲透或是蜂窩現(xiàn)象，質(zhì)量很好。通過(guò)與voxeljet-維捷的合作，Doka認(rèn)為以后可以將粘結(jié)劑噴射3D打印模板應(yīng)用于制造更多的建筑表面結(jié)構(gòu)。使用voxeljet的粘結(jié)劑噴射技術(shù)，可以更快速、精確的制造三維曲面混凝土構(gòu)件模板。遠(yuǎn)期看，這也許會(huì)改變繁復(fù)的混凝土施工過(guò)程。除了制造復(fù)雜的混凝土模板外，voxeljet-維捷的粘結(jié)劑噴射技術(shù)還可以用于制造建筑模型。
根據(jù)市場(chǎng)觀察，vvoxeljet-維捷3D打印技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用包括直接應(yīng)用和間接應(yīng)用兩種。在直接應(yīng)用中，voxeljet-維捷可以通過(guò)PMMA 材料制造建筑物中的復(fù)制品，例如：使用PMMA 材料3D打印科隆大教堂人物的復(fù)制品,或使用該材料制造復(fù)雜的裝飾性結(jié)構(gòu)。在間接應(yīng)用中，voxeljet-維捷可以通過(guò)PMMA 材料3D打印建筑模型的鑄造熔模，然后再通過(guò)精密鑄造工藝制造出金屬建筑模型，例如：voxeljet 3D打印服務(wù)中心，通過(guò)3D打印熔模和精密鑄造技術(shù)制造1:100的蘭伯特斯大教堂青銅模型。
