研究进展：大尺度3D打印-增材制造

3D打印（增材制造）可用于自动化制造建筑元件，以用于摩天大楼、飞机、火箭和太空基地等大型结构，无需人工干预。然而，大尺度3D打印的广泛应用，首先必须克服材料、工艺、打印机和软件控制方面的诸多挑战。

在全球材料和能源消耗中，大型结构（如建筑物）占有很高的比例，并且有待提升其传统制造工艺。3D打印（或称增材制造）是一项可持续的颠覆性技术，正在彻底改变建筑和航空等诸多行业。3D打印包括创建数字设计（环保且易于转换为3D对象并进行迭代），然后进行快速和智能的增材工艺（不需要模具并利用多个自由度）。该工艺过程，通过优化设计，以最大限度地节省了材料，并免除了模板和/或模具需求，以减少了资源浪费。然而，传统3D打印技术，大多局限于微米级到米级的制造，并且面临着一些尚未解决的问题，例如无法实现多功能打印，这阻碍了大型复杂结构（如建筑物、飞机和火箭）的自动化制造。

自2010年以来，大尺度3D打印 (LS3DP) 已成为克服这些限制的解决方案。大尺度3D打印LS3DP已经成功应用于一些标志性建筑项目，如上海普陀桥（中国第一座3D打印聚合物桥梁，总打印长度为15.3米）3；成都大桥（目前世界上最长的3D打印聚合物桥梁，全长66.8米，打印长度21.6米）；SCG S&T大楼（中国第一个3D打印的可居住和可交付的两层建筑，高6米）4；中国商飞C919飞机（3D打印翼肋3米）；以及人族1号火箭（33.5米高，85%的机身都是打印的）。

然而，大尺度3D打印LS3DP的采用，仍然受到一定程度的限制，因其庞大尺度带来了新的挑战，特别是在精度和效率之间的必要折衷。较厚层打印，以最小化打印时间的必要性，对打印结构的形状、精度、质量和性能产生不利影响。因此，大尺度3D打印LS3DP，将极大地受益于材料、工艺、打印机和软件控制，以促进大尺度3D打印的广泛采用。

01

开发合适的材料和工艺

目前使用的材料，无论是在传统的3D打印还是在大尺度3D打印LS3DP中，都是来源于传统制造材料。例如，3D打印建筑通常使用水泥基材料、聚合物、金属材料和木质材料。3D打印飞机和火箭部件，包括金属材料或合金、聚合物、陶瓷和复合材料。然而，为了实现不同尺度和功能，必须通过使用新的添加剂、修正现有材料或自动化制备生产线，以扩大可打印材料的范围5，以使其适用于大尺度3D打印LS3DP。此外，必须开发新材料制备工艺，将不可打印材料转化为可打印材料，例如以增材制造作为数字材料合成方法。简单地说，这一策略包括直接使用3D打印设备制造合成材料。该路线包括，从微观尺度精确设计待合成材料的化学成分和物理性质，创建待合成材料的高精度微观和宏观三维模型，并将其转换为可打印的程序。这种方法有望创造出功能梯度材料、智能材料、工程活性材料甚至超材料，这无疑超越传统制造或自然界材料。

此外，由于3D打印是一种逐层添加工艺，在大尺度打印结构中，不能忽视传统3D打印中的几个典型问题（如打印层之间的弱结合、材料缺陷1和各种各向异性2）。因此，需要制定减轻这些限制的策略。实例包括具有不同拉伸强度材料的同时打印、打印和结构增强的同步、通过打印路径设计的结构增强，以及通过物理化学处理的材料改性。

还需要开发更先进的工艺，如大尺度4D打印（LS4DP），其中，第四维指的是依赖于时间的转换。大尺度4D打印，可用于开发可控的多功能结构，使用具有感知、进化、学习、适应、组装、保留记忆和愈合能力的材料。大尺度4D打印LS4DP需要可控和可编程的响应和/或智能材料，其响应外部刺激（或触发打印结构中的移位的编程控制），并且可以使用机械模型进行研究，以准确地预测和控制所需的变化。大尺度4D打印LS4DP还必须克服打印结构尺寸固有的新挑战，例如在多次循环变化后，无法有效恢复到原始状态。尽管如此，大尺度4D打印技术，为高性能结构工程提供了潜在的应用，其中形状、性能和功能是自调节的。

02

创建集成和多功能结构

大多数小尺度和常规尺度3D打印，仅限于单一材料、单一工艺的打印，这使得制造具有多种特性和功能的产品变得困难。例如，可以打印大型飞机的机身和建筑物的墙壁，但不能同时打印飞机的功能部件和必要的电子元件，也不能将管道和电缆集成到建筑物的墙壁中。因此，理想情况下，大尺度3D打印LS3DP应该是多尺度（涵盖宏观、介观、微米和纳米尺度）、多材料（集成刚性到柔性材料）和多工艺（结合多种工艺，如传统3D打印或减式制造或在它们之间切换），以实现完全集成和自主制造。这项大尺度3D打印技术的潜在应用，涉及太空中的自维护车辆和人工生态系统，以及气候适应性、低能耗、低碳和完全互动的智能建筑。

03

克服尺寸限制

对于打印具有不同尺度、形状和功能的大型结构来说，开发与各种工艺和材料兼容的打印设备，是至关重要的。基于大尺度3D打印LS3DP打印机的构造有两种方法。第一种是预制3D打印，即将大型结构分割成适当大小的组件，然后将这些组件打印出来，再与可靠的连接器组装在一起。第二种是整体3D打印，将大型结构分成适当厚度的层，然后逐层打印大型结构。然而，对于适用于任何一种方法的大尺度3D打印LS3DP打印机，必须是灵活的，并且具有可扩展的打印范围。

因此，需要开发新型打印机，如模块化导轨自适应放大3D打印机、具有打印和同步支持的3D打印机，以实现悬挂式水平结构、移动3D打印机或工厂以及3D打印移动机器人团队，以实现水平方向的无限打印。在垂直方向上，开发自攀爬3D打印机、可附着在打印结构上的攀爬3D打印机、可穿越打印层的爬行3D打印机器人以及仿生3D打印机器人6，可以帮助实现无界打印unbounded printing。

04

提高打印精度和效率

为了高效、准确地控制打印，保证打印过程的安全性，确保最终打印结构满足预期目标和功能，必须开发定量的打印控制方程和关系，使预期目标与打印工艺、材料和打印机相匹配。在该过程中，还需要结合材料适印性数据库来控制打印。最后，大尺度3D打印LS3DP需要仅在结构或功能需要的地方打印材料7，在正确的位置打印正确类型的材料（具有最佳比例），并打印独特功能的独特结构1，从而主动确保打印结构的高性能和多功能性。

05

适应极端环境的大尺度3D打印

自动化大尺度3D打印LS3DP还可满足极端环境中的迫切需求，这些极端环境对人类操作员来说是高风险的，例如地下或灾后现场、废弃的核设施或水下。此外，大尺度3D打印LS3DP非常适合用于空间探索的空间基地建设8，这些基地需要远程、无人和现场建设。然而，在实现这些应用之前，仍然需要克服各种挑战。值得注意的是，为了在原地建造建筑物，有必要开发自动化设备，以概述工程调查，收集必要的自然资源，并准备和打印材料。对于后者，一种解决方案是使用可远程控制的轻型3D打印机器人。

06

可持续性考虑

还必须考虑材料在整个生命周期中的可持续使用，包括材料设计、原材料生产和提取、可打印材料的制备、运输和输送、产品打印和制造、产品使用、维护和维修、回收和再利用。除了开发新材料外，将生活和生产中产生的大量废物（工业、建筑、家庭和农业固体废物）转化为可打印材料，将是可持续地最大限度利用资源的一种方式。计算优化的数字设计（例如，导致从微观到宏观结构尺度的拓扑优化）和高度优化的结构，也可用于减少材料的使用和最大化材料资源的节省7。在微观和宏观尺度上，同时进行设计和打印，可以产生高效、多功能的结构9，与传统方法获得的结构相比，这些结构在节能和减少二氧化碳排放7等方面，表现出更好的性能10。此类高效结构包括拓扑结构、蜂窝结构和仿生结构，这些结构更加环保、轻质和高性能（由于结合了各种特性，如高强度重量比、高耐热性和高可靠性1）。

07

展望未来

在材料、工艺、打印机和软件控制方面的不断进步，大尺度3D打印LS3DP，有望突破传统3D打印遇到的尺寸限制，实现任意形状大型结构体的全自动化、无人化建造（图1）。这种大尺度3D打印方法，还可以通过同时打印内部多功能组件和电线，以实现集成制造。这样的系统，将更安全、更高效、更智能和更环保，为打印结构提供以前无法实现的功能和性能，并大大减少全球资源的消耗。可以设想，将大尺度3D打印和人工智能相结合，将促进分散式制造decentralized manufacturing。下一代大尺度3D打印LS3DP，将通过云控制的可靠和容错3D打印数字孪生，提供远程协作管理和打印。通过这个全球云平台，消费者不仅可以与3D打印服务商进行沟通，还可以设计和构建定制产品，处理3D打印模型，将处理后的文件传输到云终端，设置参数并远程控制打印。

图1: 大尺度3D打印的概述和未来。大尺度3D打印 large-scale 4D printing（LS3DP）的广泛采用，取决于工艺、材料、打印机和软件控制方面的创新。大尺度3D打印LS3DP有潜力用于大型复杂结构的自动化制造，如建筑物、火箭甚至太空基地。