案例 l 粘结剂喷射3D打印技术在复杂建筑模板制造中的应用

文：3D科学谷

建筑模板是混凝土浇筑成形的模壳和支架，是一种临时性支护结构，按设计要求制作，使混凝土结构、构件按规定的位置、几何尺寸成形，保持其正确位置，并承受建筑模板自重及作用在其上的外部荷载。

在建筑结构中，墙壁需要以90°角（垂直）彼此定位。如果出现突出、弯曲或偏移的部分，都需要特殊的建筑模板，制造这种模板的传统制造方式耗时耗力，而三维弯曲模板这样的复杂建筑模板制作更是困难。粘结剂喷射3D打印技术是制造建筑模板的新兴技术，其优势是快速、准确的直接制造复杂建筑模板。

接下来，将分享一个粘结剂喷射3D打印技术制造复杂建筑模板的案例。

精确、快速的复杂建筑模板制造
德国SAB（萨克森自由州的国家发展研究所），在总部建设期间准备建造一个带有中间平台的半圆形楼梯，楼梯将安装在支撑墙上。这就需要一个非常复杂而精确的混凝土模板，以实现楼梯平滑，均匀的曲线，SAB 将此工作委托给了模板供应商Doka。

经过对楼梯模板设计的广泛评估，Doka根据模板的复杂程度对不同表面进行了分类：一类是传统的具有圆柱形或圆锥形的单轴曲面；另一类是这个楼梯与众不同的三轴曲面，也就是楼梯到支撑墙内侧的圆形悬垂。

- 建模模板的传统工艺与3D打印工艺
用传统工艺生产这种形状三轴曲面是非常耗时的，在制作时先用木头或是塑料铣削出模板，再进行手工组装，然后再进行多次研磨和涂层。由于这种模板通常由各个单独部分组合而成，需要粘合在一起。为了获得均匀的混凝土表面，还需要多次对表面进行砂磨和平滑处理。

承载部件要采用有机材料并需要在张力状态下组装起来，而在施工现场，温度和湿度的波动乃至一般天气条件的影响下，都容易发生裂缝，这明显会影响质量。

- Doka 的建筑模板和制造完成的楼梯结构
Doka 选择采用voxeljet-维捷的粘结剂喷射3D打印技术来制造这个三轴曲面模板。根据3D科学谷的了解，voxeljet-维捷 使用其VX 4000 粘结剂喷射3D打印打印系统制造Doka 需要的建筑模板，该系统可生产总体积为 4.00 x 2.00 x 1.00 m 的建筑模板，打印速度为139 l / 小时。

图片来源：voxeljet-维捷

相比传统方式，粘结剂喷射3D打印技术可以更快地生成组件，可以直接根据3D数据进行模板制造，减少了工程工作量。由于这是一种数字化制造技术，如果建筑用户在今后需要制造同一设计但不同尺寸的建筑模板，则可以通过尺寸修改，再次进行3D打印，模板制造是易于重复的。

此外，从设计到装配的3D打印几何形状的数据一致性，保证了模板的高精度，高精度减少了现场手动返工的后顾之忧。。由于材料均质，受天气条件影响小，使得质量得到了保证。voxeljet-维捷制造的3D打印模板可承受高达100 kN /m的混凝土浇铸压力，对所使用的脱模剂和混凝土没有限制。

3D打印技术的优势在制造复杂建筑模板是更为明显，特别是在多弯曲混凝土构件的情况下，数字化和轻松的过程大大加快了建筑速度。根据几何形状的不同，采用粘结剂喷射3D打印技术生产的模板最多可使用40次，这也降低了相同混凝土表面的成本。

- 3D打印模板设计、制造过程
在制造时，voxeljet-维捷在德国服务中心3D打印了七块砂模，壁厚为21毫米，随后使用环氧树脂渗透获得必要的刚性，然后经多打磨和涂层之后，模板即可使用。打印完成后的后处理，增强了3D打印模板的耐候性和耐刮擦性。目前，在voxeljet 德国、中国、印度等地的3D打印服务中心，都可以提供建筑模板快速制造服务。

在工程中，3D打印模板还将需要与传统模板相结合，为了能够与Doka 标准的建筑模板组装在一起，在设计3D打印三轴曲面模板时，设计师预留了组装用的孔、连接插件。

这一3D打印模板在装配时只需要通常装配时间的十分之一。在组装模板时，3D打印模板与Doka的CNC切割Xlife面板百分之百匹配，这种混合制造模板的方法保证了模板制造的成本效益。

-应用效果
通过voxeljet 3D打印模板所制造的建筑楼梯混凝土浇筑结构，没有产生渗透或是蜂窝现象，质量很好。通过与voxeljet-维捷的合作，Doka认为以后可以将粘结剂喷射3D打印模板应用于制造更多的建筑表面结构。

使用voxeljet的粘结剂喷射技术，可以更快速、精确的制造三维曲面混凝土构件模板。远期看，这也许会改变繁复的混凝土施工过程。除了制造复杂的混凝土模板外，voxeljet-维捷的粘结剂喷射技术还可以用于制造建筑模型。

根据市场观察，vvoxeljet-维捷3D打印技术在这个领域的应用包括直接应用和间接应用两种。在直接应用中，voxeljet-维捷可以通过PMMA 材料制造建筑物中的复制品，例如：使用PMMA 材料3D打印科隆大教堂人物的复制品,或使用该材料制造复杂的装饰性结构。在间接应用中，voxeljet-维捷可以通过PMMA 材料3D打印建筑模型的铸造熔模，然后再通过精密铸造工艺制造出金属建筑模型，例如：voxeljet 3D打印服务中心，通过3D打印熔模和精密铸造技术制造1:100的兰伯特斯大教堂青铜模型。

来源：3D科学谷