聚合物复合材料 3D 打印在土木工程中的应用

1. 材料体系与打印工艺

1.1 热塑性与热固性基体材料体系

用于增材制造的聚合物复合材料主要分为两大类别：热塑性 与 热固性 系统。两类材料在土木工程中均具有各自的优势。

热塑性复合材料

• PLA — 可降解且可持续；适用于低温、临时或可回收类应用。性能可通过纤维或纳米填料增强。
• ABS — 冲击性能更高、户外表现更佳；常用于耐久型建筑打印部件。
• 高性能热塑性塑料（PEEK、ULTEM） — 适用于高温、强腐蚀或苛刻服役环境。
• 再生热塑性材料（rPET） — 可显著降低生命周期碳排放，但需控制材料降解问题。

热固性复合材料

SLA/DLP 与热固性打印具备高尺寸精度和优良的热稳定性，但由于其交联结构不可逆，再循环性能有限，影响其在大规模土木工程中的可持续应用。

1.2 纤维增强复合材料体系

增强体系决定结构性能：

• GFRP（玻纤增强塑料） — 疲劳性能优异，适用于大尺寸构件（幕墙、步行桥）。
• CFRP（碳纤维增强塑料） — 极高比强度；适用于精密结构件及加固领域。
• 天然纤维 —（竹、亚麻、大麻）具备可持续性潜力，但需处理以提升耐湿与耐 UV 性能。
• 颗粒填料 — SiO₂、Al₂O₃ 用于提高刚度、热性能与耐磨性。

1.3 大尺寸增材制造技术

土木工程常用的核心打印技术包括：

挤出式 3D 打印（E3DP）

最常见的大尺寸打印方式—兼具规模与速度，可支持纤维增强线材与颗粒料系统。

粘结剂喷射（Binder Jetting）

适用于粉末复合材料与混合系统，具有低热变形、表面质量好等优势。

机器人大格式增材制造（RLFAM）

多轴机器人实现无支撑打印、复杂几何与连续纤维增强—非常适合桥梁构件、加强筋与幕墙系统。

2. 全球案例：从桥梁到建筑

多个全球示范项目证明了复合材料 3D 打印在工程尺度上的可行性。

2.1 桥梁工程

• 荷兰鹿特丹 — 6.5 m GFR-PET 步行桥，生命周期碳排放降低约 50%，展示高耐候性。
• Limburg 人行桥 — 验证了 GFRP 结构在循环荷载下的可预测疲劳性能。
• 中国流云桥 — 17.5 m ASA-3012 复合材料桥梁，35 天打印完成，展现中等跨径桥梁的速度与物流优势。

2.2 建筑与模块化结构

• 美国 BioHome 3D — 全生物纤维＋生物树脂打印模块，可回收、快速部署。
• 澳大利亚 Jindi 模块化住房 — 再生塑料内芯＋水泥基外层，提高防火性能。
• 美国 Azure 微型住宅 — 模块仅需 24–48 小时打印，使用回收塑料规模化生产。

2.3 结构加固与抗震应用

包括连续碳纤维打印网格、CFRP/PLA 加固体系，可显著提升耗能能力与剪切刚度，是地震加固及快速修复的潜力方案。

3. 关键技术挑战

尽管优势突出，但要实现大规模应用仍需突破多项工程与产业难点：

3.1 力学各向异性

层层堆叠导致方向性性能差异，层间结合弱于面内强度，需要更优的纤维排布与后处理技术。

3.2 耐久性与环境适应性

• UV 老化与光降解
• 天然纤维复合材料的吸湿问题
• 耐火性能与建筑规范匹配

3.3 大规模制造瓶颈

打印速度、材料成本与设备占地仍是瓶颈。例如：5800 kg 的桥梁可能需数周连续打印。

3.4 标准与认证

行业标准、测试体系与寿命数据库仍在建设中，影响关键基础设施的认证与保险采纳。

3.5 回收与生命周期管理

热固性基体与纤维增强复合材料缺乏成熟闭环回收技术，是产业界重点攻关方向。

4. 未来方向与产业机会

4.1 工艺优化

多轴沉积、原位压实及增材＋CNC 的混合制造将进一步提升尺寸精度与结构性能。

4.2 智能与功能化材料

集成传感、自修复材料、导电/导热功能填料，可构建智慧基础设施体系。

4.3 可持续材料发展

研发重点包括生物基聚合物、优化回收 PET 复合材料、处理后的天然纤维等，兼顾性能与环保目标。

4.4 高性能复合材料模具

大型打印部件将依赖高品质模具用于原型验证、混合浇注–打印组件及规模化生产。MDC 的 SMC/BMC 模具、FRP 模具及精密成型技术是关键能力支撑。

4.5 标准化与政策支持

结构规范、耐久数据库和可持续评价体系的发展将加速市场采纳与风险评估通过。

5. 大成模具 如何推动复合材料 3D 打印落地

大成模具（浙江 MDC 模具有限公司）处于先进复合材料模具与大尺寸复合制造的交汇点。以下是 MDC 推动技术落地的核心方式：

• 精密原型模具 — 为打印结构和混合结构接头提供 SMC/BMC 与 FRP 模具验证。
• 表面与尺寸精加工 — 用于幕墙、建筑外饰件等的后成型与高精度模具。
• 真空与压实系统 — 提升层间结合与复合材料密度，使其满足承载要求。
• 材料协同开发 — 与线材、颗粒料、预浸料供应商合作，共同验证可结构化使用的复合材料。
• 测试与认证支持 — 提供原型测试、疲劳评估与长期性能测试，满足规范要求。
• 混合制造集成 — 结合大尺寸打印与 MDC 的减材加工与精饰交付可直接安装的部件。

如需项目合作——原型模具、试生产或混合浇注–打印解决方案，请通过 联系我们 与 大成模具 交流技术需求。

6. 结论

聚合物复合材料增材制造正从科研阶段走向在桥梁、建筑与结构加固中的实际工程应用。虽然仍面临各向异性、耐久性与标准化难题，但材料、工艺与模具技术的共同发展正在推动其迈向规模化、可持续的基础设施解决方案。

大成模具——凭借高性能 复合材料模具、真空/压实解决方案与精加工能力，为大尺寸复合材料结构提供可靠的批量化生产基础。与专业模具企业合作可降低技术风险、缩短验证周期，并推动复合材料打印基础设施进入主流工程体系。