建筑3D打印材料及應(yīng)用技術(shù)及其發(fā)展探究

1、建筑3D打印材料及應(yīng)用技術(shù)及其發(fā)展探究摘要：針對當(dāng)前3D打印建筑技術(shù)存在的材料、工藝、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、整體技術(shù)研發(fā)、 專業(yè)人才等短板，提出了加快制定國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、政府政策支持、深化關(guān)鍵技術(shù) 研發(fā)、促進(jìn)人才培養(yǎng)等多項發(fā)展建議。關(guān)鍵詞：建筑3D打印材料；應(yīng)用技術(shù)；發(fā)展探究引言：3D打印被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命意義的制造技術(shù)，3D打印材料的技 術(shù)門檻較高，直至近幾年，中國3D打印行業(yè)才開始真正發(fā)展起來。目前我國3D 打印材料技術(shù)和工業(yè)化水平不斷提高，不斷涌現(xiàn)出世界領(lǐng)先水平的3D打印材料， 基本形成了較為成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，除了能打印建筑外殼，還可以打印后端的家具等 物件，在上下游產(chǎn)業(yè)均有建樹。1.3D打印技術(shù)原

2、理與建筑3D打印材料概念1.1 3D打印技術(shù)原理概述3D打印技術(shù)，亦稱增材制造(Add material manufacture)技術(shù)，其原理是3D 打印機(jī)運(yùn)用CAD創(chuàng)建的模型設(shè)計為模板，不需要傳統(tǒng)刀具、夾具和機(jī)床，通過打 印機(jī)軟件將其創(chuàng)建的模型先分解為若十個二維的層面，然后將材料通過噴嘴等裝 置逐層堆積，就可以打造出任意形狀，最終形成3D物件成品。13D打印技術(shù)起源于美國，1983年美國發(fā)明家Chuck Hall發(fā)明了世界上第一臺 3D印刷機(jī)，成為3D打印機(jī)的雛形。隨著1988年發(fā)明的分層實(shí)體制造技術(shù)， 1989年進(jìn)一步發(fā)明了粉末激光燒結(jié)技術(shù)，1992年研發(fā)出熔融沉積制造技術(shù)，基 于上述工藝

3、，美國麻省理工學(xué)院于1993年發(fā)明了 3D打印技術(shù)，直至2010年全 球首個3D打印的完整作品汽車Urbee由美國Jim Kor團(tuán)隊的3D打印機(jī)打 印完成。1.2建筑3D打印材料概念建筑3D打印材料正是利用分層堆積的基本原理，采用工業(yè)機(jī)器人逐層重復(fù) 鋪設(shè)材料層構(gòu)建自由形式建筑結(jié)構(gòu)的新興技術(shù)。主要成型方法包括噴墨粘稠粉末 (3DP)和熔融擠出(FDM)，新近又出現(xiàn)了壓電噴墨、氣動、電動和電流體、 動力注射式和混合式等新型方法。當(dāng)前的3D打印建筑技術(shù)主要有三種：D型工藝(D-Shape)、輪廓工藝(Contour Crafting)和混凝土打印(Concrete Printing)。2其中最具代表

4、性的“輪 廊工藝”，即建筑輪廓打印方法，由美國南加州大學(xué)的Behrokh Khoshnevis教授發(fā) 明，是一種基于混凝土的自動化施工方法，3D打印設(shè)備由一個巨型的三維擠出機(jī) 械構(gòu)成。該項技術(shù)早在2004年就已能“打印出規(guī)格1.52 mx0.91 mx0.15 m的建筑 部件。和傳統(tǒng)的建筑施工方式相比，3D打印建筑技術(shù)減少了多道傳統(tǒng)的筑造工序： 如材料粗加工、現(xiàn)場放樣、支模、切割、吊裝等，有效減少裝配零件數(shù)量，降低 了制造、設(shè)備、材料、人工、庫存成本，同時實(shí)現(xiàn)一體設(shè)計，一體成型。現(xiàn)今的 輪廊工藝系統(tǒng)已經(jīng)不僅能打印出房屋的墻壁和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，也能創(chuàng)建建筑物基礎(chǔ)， 建成的建筑可以有效抵擋地震和其他自然

5、災(zāi)害。3D打印建筑工藝不僅造價省、建 造速度快、制造安全，而且能利用廢舊物料，極大減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保 節(jié)能筑屋。2.建筑3D打印材料應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀據(jù)統(tǒng)計分析，國際涉及3D打印技術(shù)研究較為廣泛的領(lǐng)域是工程技術(shù)、機(jī)械 工程和計算機(jī)科學(xué)技術(shù)等，而土木建筑工程領(lǐng)域研究不足1%。國內(nèi)則廣泛運(yùn)用 于計算機(jī)科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，在土木建筑工程領(lǐng)域研究僅占 3.2%。3D打印技術(shù)真正應(yīng)用于建筑領(lǐng)域開始于2013年，在全球范圍內(nèi)，3D打印 建筑技術(shù)相對領(lǐng)先的國家是美國、俄羅斯、荷蘭、英國、日本、中國、阿聯(lián)酋等 國。2013年美國完成了世界上第一個3D打印建筑架構(gòu)；2014年荷蘭開建的 Land

6、scape House成為全球首座3D打印建筑，同時荷蘭機(jī)器人公司MX3D完成的 跨度12m長人行天橋Bridge項目，從2015年10月正式啟動，中途幾度中斷， 歷經(jīng)30個月，直到2018年4月才完成整個橋體，是全球首座3D打印技術(shù)的鋼 橋；泰國的水泥制造商SRI公司，于2017年開發(fā)的項目三倍S”3D技術(shù)，推動在 建筑領(lǐng)域以3D建模方式便捷地建造居住空間；迪拜推出了宏大的3D打印戰(zhàn)略計 劃，即2025年前25%比例的新建筑都將采用3D打印技術(shù)制造。在我國，2014年4月，首批3D打印建筑在上海建成；2015年1月，在蘇州 建成了 3D打印別墅住宅。2019年1月，跨度26.3 m堪稱全球最

7、大規(guī)模的混凝土 3D打印步行橋，僅用450 h在上海寶山打印成型。此3D打印系統(tǒng)在機(jī)器臂前端 打印頭、打印路徑生成及操作系統(tǒng)、獨(dú)有的打印材料配方等方面的創(chuàng)新領(lǐng)先于國 內(nèi)外同行，且造價僅為普通橋梁造價的2/3。河南太空灰三維建筑打印科技有限 公司已經(jīng)開發(fā)了第二代智能3D建筑打印機(jī)，可打印任意形狀實(shí)體，能應(yīng)用于商 業(yè)化，該系統(tǒng)可精確到點(diǎn)，連續(xù)打印無斷點(diǎn)，還可以配合鋼筋(籠)的交叉插入 放置，根據(jù)需要智能暫停后可自動精確定位上次打印的位置。太空灰3D建筑打 印技術(shù)在古建筑涼亭、公廁、污水井、景觀墻、市政產(chǎn)品等方面也有廣泛運(yùn)用。在政策環(huán)境保障上，國家對于3D打印材料等新材料行業(yè)給予了重點(diǎn)支持。綠色建筑

8、行動方案中國制造2025十三五材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃 增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017-2020年)等政策先后出臺，為我國3D打印 材料的發(fā)展提供了保障，也為3D打印建筑的智能制造提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)保障。十三五材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃提出到2020年，要實(shí)現(xiàn)3D打印材料80% 以上國產(chǎn)化，對國內(nèi)3D打印建筑提出了明確的目標(biāo)要求。3.建筑3D打印材料發(fā)展探究聯(lián)合國預(yù)測，到2050年，全球生活在城市的人口比例將由今天的54%上升到 66%。截止2018年底，中國的城鎮(zhèn)化率已經(jīng)達(dá)到59.58%，但距離發(fā)達(dá)國家的70% 尚有一定的發(fā)展空間。當(dāng)前中國每年僅開發(fā)的商品住房建設(shè)竣工面積就達(dá)近10 億m2,

9、此外還有數(shù)量龐大的商業(yè)、及公建項目。人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、 區(qū)塊鏈等前沿科技與建筑和房地產(chǎn)市場的融合程度在不斷深化，以滿足建造領(lǐng)域各 環(huán)節(jié)更高層次的市場需求，提升能源效率。3D打印、BIM技術(shù)、裝配式技術(shù)的發(fā) 展和創(chuàng)新推動了建筑從制造到智造，給項目全生命周期的各個環(huán)節(jié)帶來巨大變革。 11全球最大的住宅開發(fā)商萬科集團(tuán)創(chuàng)始人王石公開指出，3D打印建筑是將來萬 科住宅生產(chǎn)方式的升級方向，以順應(yīng)新時期市場需求端的要求。結(jié)語：根據(jù)國際國內(nèi)建筑業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，預(yù)計在未來的1020年內(nèi)，3D打印 在建筑領(lǐng)域上的應(yīng)用或?qū)⒅鸩教娲?dāng)下傳統(tǒng)粗放的建筑技術(shù)，即便3D打印技術(shù) 不可能完全替代傳統(tǒng)建筑方式，也將是新技術(shù)與傳統(tǒng)工藝更深層次融合補(bǔ)充。若 將來的科技能實(shí)現(xiàn)材料粉末甚至分子層級重組的技術(shù)突破，3D打印終將從本質(zhì)上 顛覆整個傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域的根基。中國的建筑業(yè)必須要瞄準(zhǔn)升級為集成式、精細(xì)化、 技術(shù)密集型的新生產(chǎn)方式，著力發(fā)展