聚合物复合材料3D打印：土木基础设施应用详述

2025年6月6日，南极熊获悉，皇家墨尔本理工大学、南昆士兰大学(UniSQ)、墨尔本大学、舍布鲁克大学以及昆士兰州交通与公路部的研究人员最近在《Automation in Construction》期刊上发表了一篇题为“Advancingpolymer composites in civil infrastructure through 3D printing”的综述，探讨了通过增材制造技术将聚合物复合材料应用于民用基础设施。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.autcon.2025.106311

作者认为，利用聚合物复合材料进行3D打印能够提供符合现代建筑需求的解决方案，并重点介绍了这一领域的进展、挑战和研究机遇。

聚合物复合材料因其高强度重量比、耐腐蚀性和设计灵活性，已成为土木工程领域用途广泛的材料。本文详细介绍了这些材料如何在汽车、航空航天和建筑等众多领域取代金属。将聚合物与纤维或颗粒等增强材料结合，可以增强机械性能和热性能，从而支持广泛的工业应用。

综述指出，虽然聚合物本身的独立应用有限，但它们经常与其他材料结合，形成适用于结构和非结构用途的复合材料。这些复合材料具有优异的抗疲劳性、耐磨性和环境耐久性等优点，在土木工程中的应用范围广泛：从聚合物改性混凝土和纤维增强聚合物筋，到密封材料、防水膜和防护涂层。

图形摘要展示了聚合物3D打印、可回收性和民用基础设施应用的整合。图片来自ScienceDirect。

聚合物复合材料的增材制造技术

增材制造 (AM)，俗称 3D 打印，能够基于数字模型逐层构建物体，减少材料浪费，并实现复杂的几何形状。本综述概述了适用于聚合物复合材料的各种增材制造技术，包括基于挤压的工艺，例如熔融沉积成型 (FDM) 和直接墨水书写 (DIW)，粉末床熔合方法，例如选择性激光烧结 (SLS) 和粘合剂喷射。

材料挤压广泛应用于民用基础设施，用于打印混凝土、陶瓷和聚合物。粘合剂喷射技术将液体粘合剂施加到粉末床上，从而制造出固体部件；而粉末床熔融技术则利用热能（通常来自激光或电子束）选择性地熔化或烧结粉末。直接能量沉积技术也适用于建筑中的金属部件，是以粉末或丝状形式供给材料，并在沉积过程中熔化材料。

作者强调，基于挤压的3D打印对于生产大型部件尤为重要。对于热塑性塑料，原料可以以丝状或颗粒形式提供，材料熔化后挤压成型。综述还描述了挤压速度、层高和热设置等打印参数在实现结构完整性和机械性能方面的作用。

△基于挤压的3D打印装置。图片来自ScienceDirect

文献中的差距、机械性能和耐久性挑战

尽管增材制造在民用基础设施领域（尤其是3D打印混凝土）已获得广泛关注，但通过增材制造技术整合聚合物复合材料的研究在学术研究中仍然鲜有涉及。综述强调，大多数现有综述侧重于纤维增强聚合物在传统建筑应用中的应用，例如钢筋和建筑改造，往往忽视了它们在增材制造领域的潜力。

尽管可持续替代品（例如再生聚合物和生物基聚合物）在建筑行业脱碳努力中的重要性日益增强，但开发程度也尚未充分。综述指出，对于这些材料如何用于基础设施3D打印的关注有限，这给研究人员和从业人员留下了关键的知识缺口。

机械性能是民用基础设施中3D打印聚合物复合材料的关键考虑因素。本综述指出，逐层沉积工艺会导致材料各向异性等问题，这些问题可能导致拉伸强度和层间附着力降低。这些因素会影响打印部件的承载能力和长期可靠性。

△纤维增强聚合物 (FRP) 网格和钢筋集成到 3D 打印混凝土组件中。图片来自 ScienceDirect。

环境耐久性是另一个值得关注的问题。暴露于紫外线辐射、湿气和温度波动会降低聚合物复合材料的性能，限制在户外或高应力环境中的适用性。人们正在探索连续纤维增强、后处理方法和混合制造方法等技术，以应对这些挑战，并改善层间粘合和整体机械性能。

缺乏标准化的设计规范和认证途径，进一步加剧了3D打印聚合物复合材料在民用基础设施中的应用难度。与钢材和混凝土等拥有成熟测试规程的传统材料不同，基于聚合物的3D打印组件缺乏统一的性能基准，这给工程师和监管机构带来了不确定性。

研究方向和未来机会

论文作者包括 Sachini Wickramasinghe 博士（皇家墨尔本理工大学和圣昆士兰大学）、Allan Manalo 教授（圣昆士兰大学）、Omar Alajarmeh 副教授（圣昆士兰大学）、Charles Dean Sorbello（昆士兰交通运输和主要道路部）、SenarathWeerakoon（圣昆士兰大学）、Tuan D. Ngo 教授（墨尔本大学）和 Brahim Benmokrane 教授（舍布鲁克大学），他们确定了几个研究重点。这些重点包括优化打印参数以降低孔隙率并增强层间粘附性、探索可持续材料（如再生和生物基聚合物）以及研究具有自修复和嵌入式传感器等特性的智能材料。

△BioHome3D 由美国缅因大学先进结构与复合材料中心开发。图片来自 ScienceDirect。

大幅面增材制造也被视为生产耐用、高性能基础设施部件的良机。机器人大幅面增材制造等技术能够制造复杂的几何形状和连续纤维增强材料，支持对强度和设计灵活性要求高的应用。

结论表示，材料科学家、工程师和监管机构之间的跨学科合作对于推动3D打印聚合物复合材料在民用基础设施中的应用至关重要。研究工作应侧重于制定可靠的测试方案，了解这些材料在环境压力下的长期性能，并融入到可持续的建筑实践中。