學(xué)校名稱

水利工程學(xué)院

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

吳佳明

201419040123

港航

男

2014年

李杰

201419040125

港航

男

2014年

董志龍

201519040230

水利

男

2015年

余薇

201519040201

水利

女

2015年

田野

201519040430

水利

男

2015年

指導(dǎo)教師

曹周紅

職稱

副教授

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

港口航道與海岸工程

項(xiàng)目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

吳佳明：港航專業(yè)，參加過(guò)建筑材料學(xué)術(shù)講座，曾參與湖南湄江水庫(kù)調(diào)研，參加并組織港航專業(yè)海洋知識(shí)競(jìng)賽。

李杰：港航專業(yè)，參加過(guò)有關(guān)水利、港航、建筑材料的學(xué)術(shù)報(bào)告，完成了有關(guān)郴州水環(huán)境的調(diào)研。

董志龍：水利類專業(yè)，曾組織并參加了海洋知識(shí)競(jìng)賽（省級(jí)活動(dòng)），船模大賽。

余薇：水利類專業(yè)，參加過(guò)海洋知識(shí)競(jìng)賽。

田野：水利類專業(yè)，參加過(guò)武漢大學(xué)李可可教授演講的水文水資源學(xué)術(shù)報(bào)告、洪開榮教授的引水隧洞TBM技術(shù)學(xué)術(shù)報(bào)告。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

1. 基于多場(chǎng)耦合的船閘結(jié)構(gòu)時(shí)變演進(jìn)力學(xué)特性和仿真模擬研究（51309037），國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目。

2. 基于自適應(yīng)三維自由面紊流模擬的拋石堤穩(wěn)定性研究（51109018），國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目。

3. 巖溶地基對(duì)航運(yùn)樞紐上部結(jié)構(gòu)影響分析及其處理措施研究（2009-02-024），廣東省交通運(yùn)輸廳基金資助項(xiàng)目。

4. 船閘輸水閥門流激振動(dòng)問(wèn)題數(shù)值模擬分析及其減振措施研究（11C0053），湖南省教育廳科學(xué)研究資助項(xiàng)目。

5. 船閘結(jié)構(gòu)的熱-流-固耦合分析（2012SS09），水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目。

6. 河南省沙穎河周口至漯河段航運(yùn)開發(fā)工程水工結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究，湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院資助項(xiàng)目。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/span>

本研究項(xiàng)目旨在為將3D打印技術(shù)（一體成型技術(shù)）應(yīng)用于實(shí)際的水利建設(shè)中進(jìn)行初步的理論探索以及一定的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)3D打印技術(shù)在工程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行可行性的驗(yàn)證；

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

由于目前3D打印技術(shù)呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢(shì)頭，其在工程上的應(yīng)用也漸漸開始進(jìn)入探索階段，而最突出的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約大量的人力且對(duì)設(shè)計(jì)的還原度高，水利工程建設(shè)耗資巨大，該項(xiàng)技術(shù)能否在工程中發(fā)揮其特色成為本次研究的探索方向。

項(xiàng)目研究中，任務(wù)之一是就實(shí)際的工程環(huán)境組裝適用的3D打印設(shè)備，就部分零部件進(jìn)行更換和設(shè)計(jì)，即合規(guī)設(shè)計(jì)；

最主要的任務(wù)是以混凝土為材料，打印具有實(shí)際工程性能的小比尺船閘閘室。

3.要解決的主要問(wèn)題：

從3D打印技術(shù)本身，要解決其只能一次成型，而工程規(guī)模大必須分期建設(shè)的矛盾，以及合規(guī)設(shè)計(jì)如何滿足工程建設(shè)的精度要求；

對(duì)于實(shí)際工程尺寸，如何設(shè)計(jì)制作滿足大尺寸建筑物打印的3D打印機(jī)，如何提高機(jī)器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性也是需要論證的問(wèn)題之一；

就打印模型，要解決混凝土凝結(jié)時(shí)間與打印速度的配合問(wèn)題，解決方法是利用外加劑調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時(shí)間；

打印過(guò)程中的側(cè)壁的支撐問(wèn)題，由于需要用混凝土打印確定形狀的建筑物需要充分考慮其流動(dòng)性，所以需要在打印過(guò)程中在側(cè)壁添加支撐物，支撐物的材質(zhì)、是否可循環(huán)使用、成本都是需要權(quán)衡的問(wèn)題；

同時(shí)，模具的拆除也是問(wèn)題之一，在完成混凝土澆筑以后，位于底部的模具如何拆除，模具的拆除采用物理拆除還是化學(xué)處理，拆除后模具是否可以再次投入使用以及拆除所需成本是否能為施工單位所接受；

就工程中的結(jié)構(gòu)，懸空結(jié)構(gòu)如何打印能保證其不掉落，如何控制其在打印過(guò)程中由于自身重力造成的彎曲變形使其不影響打印的精度。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

隨著3D打印技術(shù)的完善，越來(lái)越多的物品都可以由3D打印完成。截至2013年1月，這些3D打印而成的產(chǎn)品都是小件物體。不過(guò)，3D打印的潛力遠(yuǎn)不止可以生產(chǎn)DIY的家居物品這么簡(jiǎn)單。實(shí)際上，這項(xiàng)技術(shù)甚至可以徹底顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)。

目前，世界多國(guó)科學(xué)家都非常重視3D打印技術(shù)的利用和改進(jìn)，推廣其在工業(yè)活動(dòng)中的廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)也受到了廣泛關(guān)注，并取得了一定成績(jī)。中航集團(tuán)用3D打印技術(shù)制造了飛機(jī)零件；清華大學(xué)及國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在科技部的資助下進(jìn)行了3D打印設(shè)備的研發(fā)、3D數(shù)字化掃描、3D打印數(shù)字化設(shè)計(jì)，打印產(chǎn)品后處理等一系列研究......另外，西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等科研院所為推廣及研究3D打印技術(shù)奠定了基礎(chǔ);國(guó)家工程中心、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展提供動(dòng)力。3D在我國(guó)建筑業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展初露端倪，而國(guó)外的發(fā)展相對(duì)更成熟一些，根據(jù)國(guó)外研究實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)由于我國(guó)目前傳統(tǒng)建筑業(yè)存在環(huán)境污染嚴(yán)重、人力成本高、高耗能等各種問(wèn)題，3D打印技術(shù)在我國(guó)建筑業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有可行性和廣闊前景。雖然目前該技術(shù)在建筑業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，但比較傳統(tǒng)建造方式仍然有很大的優(yōu)勢(shì)。

3D打印技術(shù)在節(jié)省材料、方便加工、縮短周期、降低成本等方面比傳統(tǒng)制造技術(shù)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橹圃斐杀竞椭圃熘芷谏隙加?/span>極大的優(yōu)勢(shì)，3D打印技術(shù)得到了全球各國(guó)政府部門的重視。3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域正在逐漸拓寬，在消費(fèi)電子、航空和汽車制造等行業(yè)，3D打印可以以較低的成本和較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件。

最近，以美國(guó)著名趨勢(shì)學(xué)家杰里米·里夫金為代表的學(xué)者關(guān)于“第三次工業(yè)革命”的呼聲在全球范圍內(nèi)引起了極大關(guān)注?！暗谌喂I(yè)革命”的核心內(nèi)容是“制造業(yè)數(shù)字化”，并將帶動(dòng)全球技術(shù)要素及市場(chǎng)要素配置方式的革命性變化。制造業(yè)的生產(chǎn)方式正發(fā)生著日新月異的變革。作為一種突破傳統(tǒng)的建造生產(chǎn)方式以及鏈接工廠化、信息化生產(chǎn)的新型技術(shù)，3D打印正悄然走向建筑業(yè)。英國(guó)建筑聯(lián)盟學(xué)院的一篇最新論文指出，未來(lái)的建筑工地上，塑料將成為建筑原料，機(jī)器人執(zhí)行施工工作。當(dāng)然，這一設(shè)想的核心部分還是3D打印技術(shù)。

美國(guó)航天局(NASA)出資與美國(guó)南加州大學(xué)合作，最新研發(fā)出“輪廓工藝”3D打印技術(shù)，“輪廊工藝“的概念在設(shè)計(jì)上很簡(jiǎn)單，但是實(shí)施起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜。該工藝由一個(gè)巨型的三維擠出機(jī)械構(gòu)成。它的操作很像我們見(jiàn)到的打印機(jī)操作原理，不過(guò)有一個(gè)明顯不同的地方：它擠出是混凝土。在“輪廊工藝”系統(tǒng)的擠壓頭上使用齒輪傳動(dòng)裝置來(lái)為房屋創(chuàng)建基礎(chǔ)和墻壁。它的原理跟使用泥造磚極戎相似，建成的建筑能夠抵擋地震和其他自然災(zāi)害。研發(fā)者美國(guó)南加州大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程教授霍什內(nèi)維斯稱使用該工藝不僅造價(jià)便宜、快速建造，而且對(duì)環(huán)境友好，建設(shè)造價(jià)和材料大幅度降低。24小時(shí)內(nèi)就可以印出大約232平方米的兩層樓房子，只要一個(gè)按鍵就可以操控機(jī)械打印出房子。由于大大節(jié)約了建筑時(shí)間和建筑成本，該技術(shù)讓人類在移民月球或火星后可以就地取材，快速批量打印。

劉易斯大酒店的老板Lewis Yakich就開始計(jì)劃使用3D打印技術(shù)來(lái)擴(kuò)大自己的酒店。2015年9月9日，Yakich宣稱，他已經(jīng)成功地3D打印出了他的建筑，這是一棟小別墅，占地面積為10.5×12.5米，高3米，大概有130平方米。這個(gè)別墅有兩間臥室、一間客廳以及一間帶按摩浴缸的房間（按摩浴缸也是3D打印而成），所有這些都將是劉易斯大酒店的一部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，完成所有結(jié)構(gòu)的打印總共花了100個(gè)小時(shí)，但是打印過(guò)程并不是連續(xù)的。

2014年4月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)揭開神秘面紗。這些建筑的墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，依據(jù)電腦設(shè)計(jì)的圖紙和方案，經(jīng)一臺(tái)大型的3D打印機(jī)層層疊加噴繪而成，據(jù)介紹，10幢小屋的建筑過(guò)程僅花費(fèi)24小時(shí)。

3D打印房屋

3D打印別墅式酒店

本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)

1. 參閱了3D打印專業(yè)書籍，關(guān)注網(wǎng)絡(luò)3D打印社區(qū)并實(shí)時(shí)察看最新的研究成果，從中獲取可參考的經(jīng)驗(yàn)；

2. 實(shí)驗(yàn)小組成員已基本了解型號(hào)為PRUSA Mendel I3打印機(jī)的設(shè)計(jì)原理以及實(shí)際的組裝步驟，為下一步自行組裝更大型號(hào)打印機(jī)提供了不可或缺的基礎(chǔ)；

3. 已有過(guò)手工組裝實(shí)體打印機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，目前尚處于調(diào)試機(jī)器的階段，但已從中發(fā)現(xiàn)了對(duì)研究有裨益的問(wèn)題，并已大致摸索出了初步的解決方案；

4. 已使用三維建模軟件進(jìn)行了船閘結(jié)構(gòu)的3D打印模型的設(shè)計(jì)，并制作了動(dòng)態(tài)的演示視頻以提供更直觀的演示；

5. 已提出若干適用于實(shí)際工程的3D打印解決方案，目前尚待進(jìn)一步的討論及實(shí)驗(yàn)研究以證實(shí)方案是否實(shí)際可行；

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

6. 本項(xiàng)目實(shí)際可行，由于目前3D打印技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于建筑物的打印，故本研究提出將其應(yīng)用于水工建筑物的建設(shè)，在探索過(guò)程中有可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)；

7. 試驗(yàn)中使用的材料為混凝土，有別于一般3D打印耗材，借鑒已有的房屋打印案例，對(duì)水工建筑物中的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行小比尺模型的打印，有別于使用一般以塑料與陶瓷為原材料進(jìn)行打印，更接近實(shí)際工程，研究結(jié)果對(duì)實(shí)際工程更有可用性；

8. 本項(xiàng)目提出多臺(tái)3D打印機(jī)協(xié)同打印、一臺(tái)打印機(jī)多個(gè)打印噴頭，分塊施工、集成式建設(shè)大型水工建筑物的施工理念。即考慮實(shí)際工程特別是建設(shè)規(guī)模以及跨度，單臺(tái)打印機(jī)無(wú)法滿足一體成型打印的要求，提出多臺(tái)打印機(jī)施工減小所需打印機(jī)尺寸，一機(jī)多噴頭加快打印效率的概念；

9. 提出3D打印在實(shí)際工程中的分期打印概念，并利用組裝機(jī)器進(jìn)行探索，當(dāng)前3D打印的概念強(qiáng)調(diào)的是一次成型，但實(shí)際工程由于規(guī)模大，按照目前的打印速度，無(wú)法在短期內(nèi)完成整個(gè)打印作業(yè)，而3D打印機(jī)對(duì)環(huán)境的要求高，在惡劣天氣不能進(jìn)行打印工作，考慮到施工環(huán)境受天氣影響大，實(shí)際工程中仍然需要3D打印機(jī)能滿足分期施工的要求；

10. 研究以實(shí)際工程為背景，并就水工建筑物的特點(diǎn)探索適用的施工方案，研究成果具有開拓性。

11. 對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行“合規(guī)”設(shè)計(jì)，使之滿足水工建筑物打印的要求；

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

基本的研究路線如圖所示，研究由船閘閘室的力學(xué)分析及計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)開始，在此段過(guò)程中旨在將實(shí)際工程背景代入研究對(duì)象，以保證研究成果對(duì)工程具有適用性，同時(shí)在力學(xué)分析的過(guò)程中對(duì)實(shí)際的打印過(guò)程中建筑物的支撐、打印順序等進(jìn)行分析；

實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟是3D打印機(jī)的組裝以及調(diào)試，此過(guò)程重點(diǎn)在進(jìn)行“合規(guī)”設(shè)計(jì)，使3D打印技術(shù)滿足實(shí)際工程建設(shè)的要求；

完成3D打印機(jī)組裝后，進(jìn)行船閘閘室模型的打印，設(shè)計(jì)步驟為首先打印塑料材質(zhì)小比尺閘室模型驗(yàn)證打印機(jī)可用性，并對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行以混凝土為原材料的小比尺閘室模型的打印。

研究預(yù)期取得成果如圖，研究結(jié)束后對(duì)研究成果進(jìn)行分析整理，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告一份，發(fā)表論文一至兩篇，申請(qǐng)專利1項(xiàng)，提出實(shí)際水工建設(shè)中可行的3D打印方案，對(duì)水工建筑物3D打印進(jìn)行“合規(guī)”設(shè)計(jì)，完成以混凝土為原材料的小比尺船閘閘室3D打印模型的制作，且模型的力學(xué)性能滿足實(shí)際工程的設(shè)計(jì)要求；得出實(shí)際工程中3D打印技術(shù)分塊、分工期打印建筑物的一般可行的方法。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

2017年度目標(biāo)：

完成數(shù)字模型的制作以及3D打印機(jī)的組裝與初步調(diào)試

工作內(nèi)容：

取船閘閘室為研究對(duì)象，對(duì)其組成、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，計(jì)算所需混凝土量與類型；確定打印過(guò)程中模具的形狀與材料、所需厚度以及安置位置與方式，此過(guò)程中需充分考慮實(shí)際工程中模具的可重復(fù)使用、無(wú)污染、便于拆除以及工程材料成本的問(wèn)題，以實(shí)際船閘閘室建設(shè)為背景確認(rèn)打印過(guò)程中的模具與閘室本身的打印順序以及支撐物的搭建與拆除；

對(duì)理論模型進(jìn)行分析完成后，建立相應(yīng)的數(shù)字模型，使用AUTOCAD繪制出三視圖并制作3維模型，繪制嚴(yán)格按照實(shí)際工程要求，并將所建立的數(shù)字模型備份，便于在需要修改時(shí)進(jìn)行對(duì)照分析；將3維模型導(dǎo)入3D打印機(jī)可識(shí)別的切片軟件，導(dǎo)出相應(yīng)文件并將文件備份，此過(guò)程中注意備份文件的分類整理以及備份保存；根據(jù)模型打印的要求，購(gòu)買組裝機(jī)器所需的零部件，由于需要考慮脫模以及實(shí)際工程對(duì)打印提出的要求，需要自行設(shè)計(jì)部分零部件，并對(duì)現(xiàn)有的3D打印機(jī)的組成進(jìn)行調(diào)整變化使之符合本研究的要求，將真實(shí)的施工環(huán)境代入設(shè)計(jì)過(guò)程，探索對(duì)未來(lái)實(shí)際水工建設(shè)中3D打印的應(yīng)用具有實(shí)際普遍意義的施工概念以及發(fā)展方向。

2018年度目標(biāo)：

完成模具和小比尺船閘閘室的打印，發(fā)表1到2篇論文，申請(qǐng)一項(xiàng)發(fā)明專利；

工作內(nèi)容：

先使用自行組裝的3D打印機(jī)打印簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)；打印設(shè)備調(diào)試完成后，開始實(shí)際的閘室、模具的打印，由于打印使用材料為混凝土，在打印過(guò)程中模具在壓力作用下將產(chǎn)生變形，需提出合理的支撐方案；打印工作完成后，對(duì)研究的結(jié)果進(jìn)行整理分析，對(duì)其中解決的問(wèn)題進(jìn)行整理，將對(duì)應(yīng)的處理方式整理并對(duì)其中重要部分申請(qǐng)專利，就研究成果發(fā)表論文。

指導(dǎo)教師意見(jiàn)

項(xiàng)目計(jì)劃詳細(xì)有序，目標(biāo)明確，切實(shí)可行。

簽字：曹周紅        日期：2017年4月16日