1前言

截至目前，金属3D打印的技术、创作规则、规范和监管制度依旧处于初期阶段。作为一种即将实现的概念验证性事物，它可以用于钢材制造吗？当你向一名资深的钢结构建造商询问他本人关于3D打印的观点时，他很可能会直言不讳地回答说：“如果能买到一条钢梁，我为什么要打印出来呢？”钢结构建造商主要关注的是体积、效率和成本，而不是自由设计、减少废弃物以及材料的重量和用途等问题。在获得优秀的建造性能方面，打印的金属材料依旧存在一些局限性，而且价格并不便宜，无法与大批量生产的建筑材料竞争。

就目前而言，3D打印金属材料仅仅只能应用于一些建筑构件，如接头和节点等。在某些方面，3D打印金属材料是优于铸钢节点的，因为它无需铸模制作。

由奥雅纳（Arup）的类骨钢节点所证实的拓扑优化技术有可能用于制作内部增强钢管或变截面钢管，这主要是通过在长度方向的局部增强区域改变钢管横截面来实现。

2概念验证

近来宣布了一些3D打印建筑工程，比较有代表性的就是阿姆斯特丹的钢桥打印项目。该项目由荷兰机器人制造公司MX3D发起，在试验和测试阶段停留了很久，这是因为制造一套水平承载结构并非易事。MX3D公司的设计师最初将这座桥视为一种概念验证项目，并称只是想看看能否通过这种新方法建造桥梁，这样人们就可以借助想象产生新的创意。

从设计的观点来看，各种创意已经源源不断。增材制造在产品定制方面又提供了巨大的可能性，产品尺寸可以更为精准，还可进行修改和模拟，因此，已经成为了颠覆传统工业观点的驱动力。如果用于建造，这项技术可以制作形状独特的小型建筑构件或者连接件，而无需批量生产的优势使其成本更为低廉，这有助于提高材料的利用率，以及建造几何形状复杂的结构。不过，依然还有许多亟待解决的问题。

3术语

采用金属粉末或金属丝为原料的非传统制造工艺创造了诸如快速成形、快速制造、增材制造、自由形式制造或网络化制造等一系列新术语。

优点显然就是速度和单一项目的定制，但缺点则是不能完全自由设计、沉积层水平低、表面粗糙度高、容易腐蚀、出现残余应力和变形等。激光聚光束、电子束和电弧焊机提供了金属原料熔化的热源。由于沉积速率高，最广为采用的建造技术就是粉末床熔化（powder bed f usion）和金属丝电弧增材制造（WAAM）。粉末床包括激光烧结（l aser sintering）和激光熔化（l aser mel t ing），尽管受限于成形室（buil d chamber）的尺寸，但是却具有较高的精度。粉末喂料的成本高于金属丝喂料，而且还涉及到安全和健康问题，奥雅纳（Arup）类骨钢节点就是通过粉末床打印出来的，可以看作是概念验证。WAAM更具商业可行性，基本就是一个安装了机器人手臂的电弧焊机。WAAM的精度并不及粉末床，但是在尺寸方面的限制更小，可以提供更大的沉积速率。在制作钢桥上，阿姆斯特丹MX3D公司就采用了电弧增材制造工艺，这一想法利用了两个六轴机器人，跨度为3m，钢制焊接枪体装有一个气体金属焊接头，按照结合CAD模型的激光制导装置产生的路径运行。它们可以在半

空接触，能够解决一些有关机械性能和结构完整性的问题。

4质量控制

为了探讨可行性，MX3D公司依旧在作出大胆尝试。仅仅在焊接参数方面就有较大的改进空间，比如金属丝喂料速率、电弧电压、在线监测、喷嘴角度、冷却速率、张力、粗糙度和后处理等。所有变量都会影响载荷容量以及传统的结构需求，例如，12m跨度的结构已经转变为由多个1m零件组成的壳体结构，而且单个部件的厚度相对较小。

机械性能也取决于金属丝喂料的质量，以及制作零配件的方式等因素。3D打印是一项无需人工干预的工作，主要用于产品试制。在建造方面，此项技术依旧处于起步阶段。3D打印的元件外观并不美丽，需要经过精磨等后处理。另外，3D打印出的水平结构在不使用临时支撑结构的情况下是无法独立固定的。而且，工程师将如何处理并证实一个一次性的试样可以用于一个复杂的结构呢？荷兰代尔夫特理工大学的一名研究人员已经确定如何对这种新型金属进行安全设计，并测定材料的性能。MX3D公司打印出的不锈钢钢管借助3D扫描设备进行屈曲试验，还将采用四点弯曲和压缩试验获取弯曲刚度等基本性能，以及应力-应变曲线。

目前，鹿特丹RAMLAB增材制造中心已将3D打印技术用于铸造，而且与港务局和造船行业形成战略联盟，并获得了Val k Wel ding、Autodesk、IBM等供应商的大力支持。首批零配件产品已经成功发货，并用于造船行业，但为了通过英国劳氏船级社认证，在工艺管理和质量控制方面还有待提高。

5技术

英国克兰菲尔德大学激光与焊接工程中心在金属打印技术方面处于领先地位。就在2017年，该中心使用航空级铝合金，采用电弧增材制造工艺制作出6m长的大型单体零件——双面翼梁，这在金属打印技术发展方面具有里程碑式的意义。制造这个重300kg双面翼梁的是由两个机器人操控的一台新的10m长金属打印机。这个经过周密设计的零件测试了增材制造单元的能力，并评估了建造这样尺寸结构的风险性。尽管增材制造工艺有利于降低成本和缩短交货周期，但质量控制依旧是一个巨大的挑战。为了理解钢铁材料对当代建筑现状的影响，应该关注相关技术的快速发展动态。

截至目前，采用WAAM工艺制作的工件主要用于海洋造船工业，该工艺近似于MIG焊接工艺，在一层金属上添加另一层金属，形成最终形状。采用机器人技术，解决了机械运动的局限性。由Autodesk和松下开发的特殊软件程序创造出一种流动模型，又称工具路径或测序技术。

对于普通金属3D打印而言，重要的参数就是工件的尺寸，以及焊接工艺的热输入量和速度。这些参数取决于工件的复杂程度，为了避免扭曲，可以通过软件分解成更小的部分。RAMLAB的创始人Vincent Wege ner表示，试生产在工作中占据了较大比重，此后就像焊接工艺一样便于操作了。

RAMLAB的工作人员对位于鹿特丹的达门船舶维修（Damen Shiprepair）的螺旋桨进行测试，初步发现螺旋桨桨叶比叶根的材料更薄。这是一项定制化的工作，手头没有现成的标准软件可用，而且在实际生产方面，必须采用专业技能，这是因为WAMM需要机器人控制、冶金以及焊接工艺的综合知识。测试螺旋桨的直径为1.3m，重约230kg，很快将进行实际测试，并用于监控工艺是否可以简化，工艺规模是否可以扩大。

焊接是一项成熟的技术，材料性能和施工计算也是广为人知的。用于海洋工程的标准焊丝需要添加Cu，在施工计算方面，将参考法国国际检验局的铸钢生产标准，改进焊接的机械性能，必须通过抗拉试验验证。

只有借助多学科团队，才能使WAAM技术今后处于领先地位，其产品才能被广为接受，进而扩大生产规模。另外，认证对于这项技术的实施至关重要。

为了将WAAM技术提升一个档次，其他的计划还包括软件的简化，同时采用多个机器人进行联合生产，提高生产效率。施工的第一步是由Studio Rap设计鹿特丹的水上出租车，该机构也位于鹿特丹RDM创新园区。 （罗晔）