聚合物復合材料3D打印：土木基礎設施應用詳述
時間：2025-06-07 11:10 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年6月6日，皇家墨爾本理工大學、南昆士蘭大學(UniSQ)、墨爾本大學、舍布魯克大學以及昆士蘭州交通與公路部的研究人員最近在《Automation in Construction》期刊上發表了一篇題為“Advancingpolymer composites in civil infrastructure through 3D printing”的綜述，探討了通過增材制造技術將聚合物復合材料應用于民用基礎設施。
作者認為，利用聚合物復合材料進行3D打印能夠提供符合現代建筑需求的解決方案，并重點介紹了這一領域的進展、挑戰和研究機遇。聚合物復合材料因其高強度重量比、耐腐蝕性和設計靈活性，已成為土木工程領域用途廣泛的材料。本文詳細介紹了這些材料如何在汽車、航空航天和建筑等眾多領域取代金屬。將聚合物與纖維或顆粒等增強材料結合，可以增強機械性能和熱性能，從而支持廣泛的工業應用。
綜述指出，雖然聚合物本身的獨立應用有限，但它們經常與其他材料結合，形成適用于結構和非結構用途的復合材料。這些復合材料具有優異的抗疲勞性、耐磨性和環境耐久性等優點，在土木工程中的應用范圍廣泛：從聚合物改性混凝土和纖維增強聚合物筋，到密封材料、防水膜和防護涂層。
圖形摘要展示了聚合物3D打印、可回收性和民用基礎設施應用的整合。圖片來自ScienceDirect。
聚合物復合材料的增材制造技術
增材制造 (AM)，俗稱 3D 打印，能夠基于數字模型逐層構建物體，減少材料浪費，并實現復雜的幾何形狀。本綜述概述了適用于聚合物復合材料的各種增材制造技術，包括基于擠壓的工藝，例如熔融沉積成型 (FDM) 和直接墨水書寫 (DIW)，粉末床熔合方法，例如選擇性激光燒結 (SLS) 和粘合劑噴射。
材料擠壓廣泛應用于民用基礎設施，用于打印混凝土、陶瓷和聚合物。粘合劑噴射技術將液體粘合劑施加到粉末床上，從而制造出固體部件；而粉末床熔融技術則利用熱能（通常來自激光或電子束）選擇性地熔化或燒結粉末。直接能量沉積技術也適用于建筑中的金屬部件，是以粉末或絲狀形式供給材料，并在沉積過程中熔化材料。
作者強調，基于擠壓的3D打印對于生產大型部件尤為重要。對于熱塑性塑料，原料可以以絲狀或顆粒形式提供，材料熔化后擠壓成型。綜述還描述了擠壓速度、層高和熱設置等打印參數在實現結構完整性和機械性能方面的作用。
△基于擠壓的3D打印裝置。圖片來自ScienceDirect
文獻中的差距、機械性能和耐久性挑戰
盡管增材制造在民用基礎設施領域（尤其是3D打印混凝土）已獲得廣泛關注，但通過增材制造技術整合聚合物復合材料的研究在學術研究中仍然鮮有涉及。綜述強調，大多數現有綜述側重于纖維增強聚合物在傳統建筑應用中的應用，例如鋼筋和建筑改造，往往忽視了它們在增材制造領域的潛力。
盡管可持續替代品（例如再生聚合物和生物基聚合物）在建筑行業脫碳努力中的重要性日益增強，但開發程度也尚未充分。綜述指出，對于這些材料如何用于基礎設施3D打印的關注有限，這給研究人員和從業人員留下了關鍵的知識缺口。
機械性能是民用基礎設施中3D打印聚合物復合材料的關鍵考慮因素。本綜述指出，逐層沉積工藝會導致材料各向異性等問題，這些問題可能導致拉伸強度和層間附著力降低。這些因素會影響打印部件的承載能力和長期可靠性。
△纖維增強聚合物 (FRP) 網格和鋼筋集成到 3D 打印混凝土組件中。圖片來自 ScienceDirect。
環境耐久性是另一個值得關注的問題。暴露于紫外線輻射、濕氣和溫度波動會降低聚合物復合材料的性能，限制在戶外或高應力環境中的適用性。人們正在探索連續纖維增強、后處理方法和混合制造方法等技術，以應對這些挑戰，并改善層間粘合和整體機械性能。
缺乏標準化的設計規范和認證途徑，進一步加劇了3D打印聚合物復合材料在民用基礎設施中的應用難度。與鋼材和混凝土等擁有成熟測試規程的傳統材料不同，基于聚合物的3D打印組件缺乏統一的性能基準，這給工程師和監管機構帶來了不確定性。
研究方向和未來機會
論文作者包括 Sachini Wickramasinghe 博士（皇家墨爾本理工大學和圣昆士蘭大學）、Allan Manalo 教授（圣昆士蘭大學）、Omar Alajarmeh 副教授（圣昆士蘭大學）、Charles Dean Sorbello（昆士蘭交通運輸和主要道路部）、SenarathWeerakoon（圣昆士蘭大學）、Tuan D. Ngo 教授（墨爾本大學）和 Brahim Benmokrane 教授（舍布魯克大學），他們確定了幾個研究重點。這些重點包括優化打印參數以降低孔隙率并增強層間粘附性、探索可持續材料（如再生和生物基聚合物）以及研究具有自修復和嵌入式傳感器等特性的智能材料。
△BioHome3D 由美國緬因大學先進結構與復合材料中心開發。圖片來自 ScienceDirect。
大幅面增材制造也被視為生產耐用、高性能基礎設施部件的良機。機器人大幅面增材制造等技術能夠制造復雜的幾何形狀和連續纖維增強材料，支持對強度和設計靈活性要求高的應用。
結論表示，材料科學家、工程師和監管機構之間的跨學科合作對于推動3D打印聚合物復合材料在民用基礎設施中的應用至關重要。研究工作應側重于制定可靠的測試方案，了解這些材料在環境壓力下的長期性能，并融入到可持續的建筑實踐中。
(責任編輯：admin)
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