3D打印技術(shù)在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用

1、3D打印技術(shù)在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用 13D打印技術(shù)簡(jiǎn)介 3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的打印技術(shù)，在該技術(shù)中往往以數(shù)字模型文件作為它的基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)噴嘴將材料擠出，經(jīng)過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。之所以稱其為3D打印，是因?yàn)槠鋮⒄樟舜蛴C(jī)的技術(shù)原理，加工過(guò)程與傳統(tǒng)的噴墨打印十分相似。與傳統(tǒng)打印不同的是，傳統(tǒng)打印機(jī)用打印油墨實(shí)現(xiàn)打印，而3D打印用的是真正的各種原材料。3D打印最早于20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)，但由于技術(shù)和成本的影響，這一技術(shù)并沒(méi)有取得長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。隨著科技水平的不斷提高，時(shí)代變遷和發(fā)展，邊緣技術(shù)的完善，3D技術(shù)取得了明顯的進(jìn)步，從新世紀(jì)伊始，我國(guó)3D打印的專利

2、數(shù)量快速增長(zhǎng)，表明我國(guó)的3D打印技術(shù)正處于極具前景的快速發(fā)展時(shí)期。目前，我國(guó)的3D打印技術(shù)雖然學(xué)術(shù)水平較高，但存在應(yīng)用較少的問(wèn)題，原材料的制約是限制3D打印產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一重要原因。 2適用于3D打印的建筑材料 建筑業(yè)發(fā)展至今，所應(yīng)用到的建筑材料有成千上萬(wàn)種，但是適用于3D打印技術(shù)的建筑材料卻屈指可數(shù)。目前3D打印建筑所采用的材料還不成熟，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，荷蘭通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，塑料和樹(shù)脂類材料可以應(yīng)用于3D打印機(jī)上；美國(guó)則在選用3D打印材料上，將目光投向了樹(shù)脂砂漿類，粘土類和混凝土類等材料，通過(guò)一定的技術(shù)處理也成功的應(yīng)用在了3D打印機(jī)上。我國(guó)最典型的應(yīng)用是在上海，選擇建筑廢料作為材料，通過(guò)一系列

3、技術(shù)加工，粉碎磨細(xì)，加纖維、水泥及有機(jī)粘合劑等，做成“油墨”，從而應(yīng)用于3D打印機(jī)上。 2.1GRG材料 所謂GRG材料，這里指的是通過(guò)采用GRG專用石膏，也就是人們常說(shuō)的超細(xì)結(jié)晶石膏為基料，將具有專用連續(xù)剛性的增強(qiáng)玻璃纖維和它混合制成的產(chǎn)品材料，這種材料目前主要專注于制作異形產(chǎn)品。具有不變形、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、會(huì)呼吸、防火、環(huán)保、聲學(xué)效果好、加工周期短等特點(diǎn)。一般應(yīng)用于劇院、報(bào)告廳、會(huì)展中心、體育場(chǎng)等工程項(xiàng)目，上海世博中心2600人大會(huì)堂就是通過(guò)這種GRG產(chǎn)品建造的。 2.2混凝土類材料 通過(guò)將國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)混凝土類材料無(wú)論是在傳統(tǒng)建筑生產(chǎn)還是新型3D技術(shù)領(lǐng)域里，都是主要使用材料之一。

4、由于混凝土類材料具有較高的可塑性，在打印過(guò)程中無(wú)需支模，其工作過(guò)程是在電腦控制下將配置好的混凝土通過(guò)噴頭擠出進(jìn)行打印得到混凝土構(gòu)件。目前，混凝土類材料結(jié)合“輪廓工藝”，在3D打印建筑領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用。此外，隨著材料科學(xué)和現(xiàn)代電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，3D打印建筑材料的智能化開(kāi)發(fā)也成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。這種材料融入了信息科學(xué)的內(nèi)容，把感知、尋優(yōu)和控制驅(qū)動(dòng)等技術(shù)進(jìn)行融合滲透，使得3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域做到材料結(jié)構(gòu)與智能一體化，同時(shí)具備多種完善的仿生功能，從而使打印建筑物達(dá)到適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)環(huán)境、材料和結(jié)構(gòu)健康狀況的自診斷和自修復(fù)等智能化。 3實(shí)例應(yīng)用 3D打印技術(shù)自20世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來(lái)，已在各領(lǐng)域

5、得到迅速發(fā)展。在建筑領(lǐng)域，結(jié)合相關(guān)的建筑材料，國(guó)內(nèi)外也出現(xiàn)了很多比較典型的實(shí)例。在國(guó)外，美國(guó)加州大學(xué)教授比赫洛克霍什內(nèi)維斯提出的“輪廓工藝”可以在不到20小時(shí)的時(shí)間內(nèi)建造一棟面積2500平方英尺的建筑。輪廓工藝的特點(diǎn)在于它不需要使用模具，打印機(jī)打印出來(lái)的建筑物輪廓將成為建筑物的一部分，研發(fā)者認(rèn)為這樣將會(huì)大大提升建筑效率。美國(guó)明尼蘇達(dá)洲一個(gè)名叫AndreyRudenko的承包商用3D打印機(jī)打印出了一座城堡。由于建筑面積比較大，設(shè)計(jì)人員在打印時(shí)對(duì)建筑進(jìn)行分割，分成各個(gè)部分逐一進(jìn)行打印，然后組裝成型。意大利發(fā)明家恩里克迪尼發(fā)明了D型工藝打印機(jī)，其底部有數(shù)百個(gè)噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)黏合物，在黏合物上噴撒砂

6、子可逐漸鑄成石質(zhì)固體，通過(guò)一層層黏合物和砂子的結(jié)合，最終形成石質(zhì)建筑物。目前，已成功建造出內(nèi)曲線、分割體、導(dǎo)管和中空柱等建筑結(jié)構(gòu)。在國(guó)內(nèi)，上海盈創(chuàng)建筑科技有限公司自主研發(fā)了3D打印設(shè)備、打印油墨和連續(xù)打印技術(shù)，利用建筑物廢料加上水泥、纖維、有機(jī)黏合劑等制作的“油墨”進(jìn)行逐層噴射、循環(huán)打印、快速凝固成型，從而打印房屋。盈創(chuàng)公司開(kāi)發(fā)使用的這臺(tái)3D打印機(jī)，打印出堅(jiān)固的預(yù)制件結(jié)構(gòu)可以用作搭建小型建筑。用于打印結(jié)構(gòu)件的材料將工業(yè)廢料、建筑殘?jiān)约案邩?biāo)號(hào)的水泥進(jìn)行了混合，并用玻璃纖維進(jìn)行了加固。之前打印出的房屋結(jié)構(gòu)件，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，由工人現(xiàn)場(chǎng)安裝，對(duì)于窗戶和管路等部分，軟件會(huì)預(yù)留相應(yīng)位置，建筑安裝到位后可以

7、加裝這些部分。2014年3月盈創(chuàng)公司運(yùn)用該技術(shù)在上海青浦打印出了10棟200平的實(shí)體房屋，該批建筑所用材料來(lái)自于建筑廢料，全過(guò)程由計(jì)算機(jī)操作，大大降低了建筑成本。2015年1月蘇州工業(yè)園區(qū)亮相了一棟由3D打印機(jī)打印完成的1100平米的別墅和一棟由3D打印機(jī)打印完成的6層居民樓，其墻體均由大型3D打印機(jī)層層疊加噴繪而成。尤其需要指出的是，打印出的6層居住樓采用了3D打印配筋砌體剪力墻結(jié)構(gòu)這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系，是3D打印建筑領(lǐng)域的一次突破。 4存在問(wèn)題 4.1材料結(jié)構(gòu)性能仍待加強(qiáng) 打印過(guò)程中打印材料需要通過(guò)輸送管道并經(jīng)打印頭的打印才能成型，因此打印材料應(yīng)具有良好的和易性。在打印過(guò)程中上層材料的堆積會(huì)

8、對(duì)下層材料形成壓力，如果下層材料在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有形成足夠的強(qiáng)度，就會(huì)在壓力作用下變形，所以打印材料還應(yīng)具有較快的初凝時(shí)間和較高的初凝強(qiáng)度。 4.2材料的凝固硬化 材料的凝固硬化速度是打印建筑中一個(gè)不可避免的問(wèn)題。材料的凝固硬化速度一般受溫度的影響。在春夏秋季，如果溫度在1428的范圍內(nèi)，那么不需要特殊處理就能正常固化。若溫度較低，介于514，則需要采用加速固化配比的方式保證材料的凝固硬化；若溫度較高，介于2838的范圍內(nèi)，則需要延緩材料的凝固硬化時(shí)間以達(dá)到正常工藝的要求；若在北方嚴(yán)寒天氣，或冬季施工，在零下的溫度下時(shí)，材料的使用則需要配備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪逃不桨敢赃_(dá)到施工的質(zhì)量要求。 4.3建筑的表面

9、粗糙 3D打印技術(shù)類似于擠牙膏，采用的是逐層堆疊。第一層打印完成后，必須等第一層打印材料凝固硬化后再進(jìn)行上一層打印，通過(guò)層與層之間的緊密粘結(jié)來(lái)保持墻體的整體性。正是因?yàn)檫@種特殊的打印技術(shù)，導(dǎo)致層與層之間不夠光滑，表面粗糙，并且條紋樣式也很簡(jiǎn)單乏味，不夠美觀。 4.4行業(yè)內(nèi)缺少相關(guān)規(guī)范 3D打印技術(shù)理念的提出在上個(gè)世紀(jì)，并在本世紀(jì)得以實(shí)現(xiàn)加速發(fā)展。雖然時(shí)間上看，從技術(shù)的理念提出到發(fā)展經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間，但應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的時(shí)間還很短，目前的建筑行業(yè)并沒(méi)有任何相關(guān)的規(guī)范，使用年限和房屋產(chǎn)權(quán)是否會(huì)和普通建筑產(chǎn)品一樣，這還待有關(guān)權(quán)威部門的進(jìn)一步認(rèn)可。 5結(jié)論與展望 3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域正屬于起步發(fā)展的階段，3D打印建筑和傳統(tǒng)建筑方式相比，無(wú)論是在人力物力還是進(jìn)度等方面都有很明顯的優(yōu)勢(shì)，目前主要限制3D打印技術(shù)在建筑業(yè)的發(fā)展的因素，除了技術(shù)自身的問(wèn)題外，最主要的就是能應(yīng)用于3D打印技術(shù)的建筑材料種類還是不夠復(fù)雜，而且具體的材料的強(qiáng)度、硬度、性能等問(wèn)題也需要經(jīng)過(guò)時(shí)間和實(shí)踐的檢驗(yàn)，才能得出相關(guān)的結(jié)論。現(xiàn)階段，為了發(fā)展3D打印技術(shù)在建筑方面的應(yīng)用，能做的除了改善打印機(jī)的相關(guān)技術(shù)外，還可以通過(guò)試驗(yàn)去挖掘建筑新材料，或者是在原有傳統(tǒng)材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加一些其他材料，使它具備能在3D