建筑3D打印材料及应用技术及其发展探究

1、建筑3D打印材料及应用技术及其发展探究摘要：针对当前3D打印建筑技术存在的材料、工艺、规范标准、整体技术研发、 专业人才等短板，提出了加快制定国家标准及规范、政府政策支持、深化关键技术 研发、促进人才培养等多项发展建议。关键词：建筑3D打印材料；应用技术；发展探究引言：3D打印被认为是第四次工业革命意义的制造技术，3D打印材料的技 术门槛较高，直至近几年，中国3D打印行业才开始真正发展起来。目前我国3D 打印材料技术和工业化水平不断提高，不断涌现出世界领先水平的3D打印材料， 基本形成了较为成熟的产业链，除了能打印建筑外壳，还可以打印后端的家具等 物件，在上下游产业均有建树。1.3D打印技术原

2、理与建筑3D打印材料概念1.1 3D打印技术原理概述3D打印技术，亦称增材制造(Add material manufacture)技术，其原理是3D 打印机运用CAD创建的模型设计为模板，不需要传统刀具、夹具和机床，通过打 印机软件将其创建的模型先分解为若十个二维的层面，然后将材料通过喷嘴等装 置逐层堆积，就可以打造出任意形状，最终形成3D物件成品。13D打印技术起源于美国，1983年美国发明家Chuck Hall发明了世界上第一台 3D印刷机，成为3D打印机的雏形。随着1988年发明的分层实体制造技术， 1989年进一步发明了粉末激光烧结技术，1992年研发出熔融沉积制造技术，基 于上述工艺

3、，美国麻省理工学院于1993年发明了 3D打印技术，直至2010年全 球首个3D打印的完整作品汽车Urbee由美国Jim Kor团队的3D打印机打 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层堆积的基本原理，采用工业机器人逐层重复 铺设材料层构建自由形式建筑结构的新兴技术。主要成型方法包括喷墨粘稠粉末 (3DP)和熔融挤出(FDM)，新近又出现了压电喷墨、气动、电动和电流体、 动力注射式和混合式等新型方法。当前的3D打印建筑技术主要有三种：D型工艺(D-Shape)、轮廓工艺(Contour Crafting)和混凝土打印(Concrete Printing)。2其中最具代表

4、性的“轮 廊工艺”，即建筑轮廓打印方法，由美国南加州大学的Behrokh Khoshnevis教授发 明，是一种基于混凝土的自动化施工方法，3D打印设备由一个巨型的三维挤出机 械构成。该项技术早在2004年就已能“打印出规格1.52 mx0.91 mx0.15 m的建筑 部件。和传统的建筑施工方式相比，3D打印建筑技术减少了多道传统的筑造工序： 如材料粗加工、现场放样、支模、切割、吊装等，有效减少装配零件数量，降低 了制造、设备、材料、人工、库存成本，同时实现一体设计，一体成型。现今的 轮廊工艺系统已经不仅能打印出房屋的墙壁和围护结构，也能创建建筑物基础， 建成的建筑可以有效抵挡地震和其他自然

5、灾害。3D打印建筑工艺不仅造价省、建 造速度快、制造安全，而且能利用废旧物料，极大减少环境污染，实现绿色环保 节能筑屋。2.建筑3D打印材料应用技术现状据统计分析，国际涉及3D打印技术研究较为广泛的领域是工程技术、机械 工程和计算机科学技术等，而土木建筑工程领域研究不足1%。国内则广泛运用 于计算机科学技术、经济学和临床医学等领域，在土木建筑工程领域研究仅占 3.2%。3D打印技术真正应用于建筑领域开始于2013年，在全球范围内，3D打印 建筑技术相对领先的国家是美国、俄罗斯、荷兰、英国、日本、中国、阿联酋等 国。2013年美国完成了世界上第一个3D打印建筑架构；2014年荷兰开建的 Land

6、scape House成为全球首座3D打印建筑，同时荷兰机器人公司MX3D完成的 跨度12m长人行天桥Bridge项目，从2015年10月正式启动，中途几度中断， 历经30个月，直到2018年4月才完成整个桥体，是全球首座3D打印技术的钢 桥；泰国的水泥制造商SRI公司，于2017年开发的项目三倍S”3D技术，推动在 建筑领域以3D建模方式便捷地建造居住空间；迪拜推出了宏大的3D打印战略计 划，即2025年前25%比例的新建筑都将采用3D打印技术制造。在我国，2014年4月，首批3D打印建筑在上海建成；2015年1月，在苏州 建成了 3D打印别墅住宅。2019年1月，跨度26.3 m堪称全球最

7、大规模的混凝土 3D打印步行桥，仅用450 h在上海宝山打印成型。此3D打印系统在机器臂前端 打印头、打印路径生成及操作系统、独有的打印材料配方等方面的创新领先于国 内外同行，且造价仅为普通桥梁造价的2/3。河南太空灰三维建筑打印科技有限 公司已经开发了第二代智能3D建筑打印机，可打印任意形状实体，能应用于商 业化，该系统可精确到点，连续打印无断点，还可以配合钢筋(笼)的交叉插入 放置，根据需要智能暂停后可自动精确定位上次打印的位置。太空灰3D建筑打 印技术在古建筑凉亭、公厕、污水井、景观墙、市政产品等方面也有广泛运用。在政策环境保障上，国家对于3D打印材料等新材料行业给予了重点支持。绿色建筑

8、行动方案中国制造2025十三五材料领域科技创新专项规划 增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)等政策先后出台，为我国3D打印 材料的发展提供了保障，也为3D打印建筑的智能制造提供了坚实的基础保障。十三五材料领域科技创新专项规划提出到2020年，要实现3D打印材料80% 以上国产化，对国内3D打印建筑提出了明确的目标要求。3.建筑3D打印材料发展探究联合国预测，到2050年，全球生活在城市的人口比例将由今天的54%上升到 66%。截止2018年底，中国的城镇化率已经达到59.58%，但距离发达国家的70% 尚有一定的发展空间。当前中国每年仅开发的商品住房建设竣工面积就达近10 亿m2,

9、此外还有数量庞大的商业、及公建项目。人工智能、物联网、虚拟现实、 区块链等前沿科技与建筑和房地产市场的融合程度在不断深化，以满足建造领域各 环节更高层次的市场需求，提升能源效率。3D打印、BIM技术、装配式技术的发 展和创新推动了建筑从制造到智造，给项目全生命周期的各个环节带来巨大变革。 11全球最大的住宅开发商万科集团创始人王石公开指出，3D打印建筑是将来万 科住宅生产方式的升级方向，以顺应新时期市场需求端的要求。结语：根据国际国内建筑业发展现状，预计在未来的1020年内，3D打印 在建筑领域上的应用或将逐步替代当下传统粗放的建筑技术，即便3D打印技术 不可能完全替代传统建筑方式，也将是新技术与传统工艺更深层次融合补充。若 将来的科技能实现材料粉末甚至分子层级重组的技术突破，3D打印终将从本质上 颠覆整个传统建筑领域的根基。中国的建筑业必须要瞄准升级为集成式、精细化、 技术密集型的新生产方式，着力发展