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分段打印、車間蓋被子保溫,揭秘成都這座全球最長高分子3D打印橋

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2021年12月21日 01:12 相關案例: 本文標簽: 四川瀘州墻體廣告


 3,2,1,茄子! 12月14日,成都龍泉驛區驛馬河公園,臨近中午,仍有一波接一波游客排著長隊,爭相與 流云橋 合影。

兩周多前,驛馬河公園二期正式開園,隨之亮相的 流云橋 迅速成為網紅打卡地 它是全球最長高分子3D打印橋,由中建西南設計研究院和上海建工園林集團合作完成。整橋全長66.8米,其中3D打印部分橋長21.58米、最寬處8米、最高處2.68米,橋身藍白相間,若輕盈靈動的絲帶,又若漂浮天際的流云,集功能實用與工藝觀賞為一體。

 

 

為什么要設計這樣一座橋,這么長的橋是怎么打印出來的?近日,記者走近 流云橋 的設計制作團隊,揭開其誕生之謎。

設計靈感源于河流與絲綢

從驛馬河公園5號停車場進入公園,沿著一條健身步道先向前行,再向右走。大約300米后,眼前呈現一片草坪和竹林環繞的 臥云澤 景觀湖。湖的一角,橫臥一道白色圍欄、藍色橋面的 V 字型橋,這就是 流云橋 。在低處平視湖面,天空和橋體在水中的倒影融為一體,恰似流云在天上飄動,很有立體感、流動感。

 

為何要在這里建這么一座橋?中建西南院景觀院院長程銳介紹,主要有三點考慮。其一,驛馬河公園西北側為大運會主場館(東安湖體育公園),橋建于此能讓來自全世界的與會人員,推窗就能看到,領略公園城市風光,展現科技力量。其二,經考察調研,驛馬河公園二期南部主要為集中居住區和中央活動區,北部為商業和商住區,南北往來人員流量大,橋建于此能更好服務周邊市民休憩。其三,隨著驛馬河公園開放,到此處玩耍的小孩越來越多,希望借此橋打造科普走廊,實現教育功能。

2019年就提出了橋的構想,并由院里專家組牽頭,與項目施工方一起對選址、建造條件等可行性進行了調查研究。 張曉翔說,光是橋的設計就花了約半年時間。景觀院總建筑師張靜表示,設計的最大難點,是如何兼顧橋的功能性和美觀性。作為景觀橋,要實現 一橋一景 ,經過多輪 頭腦風暴 ,設計思路逐漸清晰

流云橋。(受訪者供圖)

橋梁形態設計靈感來源于驛馬河區域內自由奔騰的河流,歡快流淌的小溪似絲綢之路在面前展開。 線條流暢、靈動輕盈,是整座橋的外形特色。 景觀院四所所長張曉翔介紹, 流云橋 一面橋梁扶手是一個峰兩邊平緩寓意 一山連兩翼 ;另一面橋梁扶手是兩個峰一個谷,寓意 兩山夾一城 。

同時,作為功能性橋梁, 流云橋 還需具備通行、照明等主要和輔助功能。 為了市民們晚上的步行安全,橋體添加了照明的輔助功能,屆時的效果可以用浪漫來形容。 程銳說。

這也是全球最長高分子3D打印橋。張曉翔解釋,高分子是指其使用的是高分子材料。在此前的3D打印橋中還有更長的,但使用的是混凝土、鋼材、木材等,高分子材料的特別之處在于具有很大的形態和外觀塑造空間,且表面更光滑,質感更好。

流云橋。(王代強 攝)

蓋被子 防止材料變形

上海建工集團旗下的上海園林綠化建設公司,是國內3D打印領域 領頭羊 ,從2018年開始實施大型3D打印,曾整體打印全球首座高分子材料3D景觀橋 上海普陀桃浦3D打印橋,以及當時全國最大的3D打印橋福建泉州3D打印橋,也是此座 流云橋 的施工方。

形象地說,3D打印的過程就像是在做蠟像雕塑。 上海園林綠化建設公司智慧建造中心主任龔明介紹,打印設備的噴頭將流體狀的材料一層層擠出疊加成型,最后再對每段打印構件進行拼接端面的加工。此次打印 流云橋 的設備和桃浦3D打印橋是同一套,但進行了技術迭代。

流云橋。(王代強 攝)

打印之前,先在電腦中數字設計建造橋模型。然后進行數據分析,特別是結構受力情況,先進行建模仿真分析再打印一段試樣,進行檢測,再返回修改模型、優化參數。龔明說,3D打印的幾個核心控制因素是材料性能、加工工藝和環境溫度。

流云橋 的打印材料和其他3D打印橋的材料基本相同,主要是高分子材料,通俗講就是一種做塑鋼門窗用的工程塑料,還要再加入一定比例的玻璃纖維和改性添加劑以增強強度。同時需要裝備的擠出系統進行對應的技術匹配,經過反復試驗,最終確定 流云橋 的玻璃纖維的比例為20%,材料總計用了12噸。

要打印這么長的橋,但又不可能設計開發一套同樣長的打印設備,于是采取分段打印的方式制作,將21.58米需要打印的構件分成了16段,分段打印好再進行拼接安裝,也有利于裝卸運輸。

雖然以前也打印過3D橋,但桃浦橋、泉州橋都是直來直去的。 流云橋 是弧形的,打印部分最大曲率15度,引橋部分(橋頭連接湖岸處)曲率將近90度。 龔明說,這一方面對打印程序編寫提出挑戰,同時對打印的精細度、精準度提出了非常高的要求。如果打印出來的成品有一點點瑕疵,就可能造成后期無法完美拼接,為此他們對打印設備進行了反復調試和改造,同時專門開發了一套不等高打印的軟件程序。

另一個挑戰是,構件越大,打印時就越容易變形、翹曲,穩定性下降,甚至無法成型。他們又經過反復研發試驗,將原打印設備的噴頭研發換成了每小時能擠出20公斤原料的打印噴頭,而此前的桃浦橋、泉州橋用的噴頭每小時只能擠出8公斤或10公斤原料,既提升了打印效率,又確保了打印構件的成型穩定性。

此外,因為當時沒有恒溫車間,而打印施工期正逢開年前后,有幾天溫度很低。而最佳打印環境溫度需要保持在30度至35度左右,這樣打印構件才不容易變形。 想盡一切辦法讓熱量流失得慢一點,我們嘗試用被子將車間罩起來,開取暖器保溫。 龔明說,同時,這一次實現了采用紅外熱成像設備實時監控打印構建溫度場,進行閉環打印。如今,隨著一系列技術的革新和新裝備的研發,已經不需要蓋被子保溫了。

加班加點,打印團隊僅用了35天就完成了橋體打印,整個過程一氣呵成,真正實現了科技與藝術的完美融合。

 

推動大型3D打印市場化

在對打印橋段拼接面加工完成后,大貨車將材料運輸到驛馬河公園進行現場拼接裝配。過程中,采用了三維激光點云掃射檢測技術,以保證成型和拼接安裝的精度。

站在 流云橋 上細看并用手觸摸橋的扶手,可以發現3D打印部分和其他采用輕質航空材料制作的引橋部分,有細微的差別。打印部分有明顯的 褶皺 ,是打印過程中原材料不斷堆積疊加擠壓形成的;而引橋部分則是光滑的,這是因為引橋扶手是通過數字化設計后進行數控雕刻成型,再在其表面進行特種涂層處理。

為了提高橋梁的穩定性和通行的舒適度,在3D打印橋梁的下方增設了鋼梁作為疊合支撐受力。橋面還預留孔位,便于通過埋設管道等方式進行排水和照明施工。

流云橋 最與眾不同之處,在于它大大突破了傳統橋梁的造型設計。 張曉翔說,傳統的橋梁由石頭、木材、混凝土等材料制作,形態多為直線或者微曲線,造型單一,沒有太大變化,頂多在橋的外表做一些造型裝飾。而3D打印技術給了更大的設計空間,可以大膽設計成曲線造型,突出美感。

這也對橋梁景觀設計提出了更高要求。 如今不再單單從功能方面去設計一座橋,還要更多兼顧其審美價值,以及如何讓其融入周邊環境,實現人文、科普等關聯功能。 在張曉翔看來,這需要不斷更新設計理念,培養更多復合型設計人才。 我們將致力于開拓創新,以科技助力設計,在景觀打造中嘗試更多的新技術、新材料。

這是一次成功的探索。 龔明表示,將大型3D打印技術全面推向市場化,還面臨資金、技術、人才等一系列挑戰。一套大型3D打印設備,至少要花一兩千萬元,不少設備零部件需要從國外購買,后續希望政府加大相關設備制造支持力度,培育壯大國內相關設備制造能力。

目前,大型3D打印是一個智慧密集型行業。 超大型3D打印技術的研發,涉及裝備、電氣、工藝、軟件、材料等等專業,我們公司博士碩士一大把,我們需要進一步突破技術,開發出更便捷裝備、更便宜低價,環保低碳打印材料,讓普通技術人員也能參與產品設計和設備操作。 龔明說。

經過一段時間的探索,上海建工集團發現,建設恒溫車間投入巨大,且不利于靈活生產。龔明表示,他們正探索通過技術革新和設備改良,不建恒溫車間就能確保打印質量。下一步,他們還將通過研發新材料、回收利用廢舊塑料、固碳技術等方式,實現更加低碳環保高效的3D打印生產,努力推動大型3D打印技術全面走向產業化、市場化。

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