当今3D打印技术在建筑工程的应用及面临的挑战

当今3D打印技术在建筑工程的应用及面临的挑战

万良平

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摘要

3D印刷技术是当前国际上最热门的技术之一，其适用范围非常广。该技术目前已在施工中得到了广泛地运用。在此，我们将介绍3D印刷技术的基本理论，探讨此技术在建筑业中的应用，藉由对3D印刷与外形制作的理解，探讨3D印刷技术在不需要手工修面的前提下，如何获得最佳的3D印刷效果。让更多人认识和接纳这项革新技术，给予支援与科研，为人类的发展作出更大的贡献。

关键词：3D打印； 轮廓工艺； 建筑应用； 不足及挑战

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1  引言

第一个美国的一名教授建议将一种方法用于3D印刷的“轮廓工艺”。这个过程利用了混凝土的自动建造，它可以打印出墙体的外形，并且在墙壁与墙壁间连续印刷程“Z”，这样一堵墙体，除了桁条之外，它的内壁是空心的，它的结构要轻，结构要稳定，可以给梁和柱注入足够的空间，并填满隔热的材料，从而构成一道自保温墙。为设备如管线、电线等预留布局。主要有两种方法，一种是采用龙门式机械臂进行整个地基和墙壁的三维立体印刷，然后在三维立体中铺设钢筋进行加固；另一种是采用喷漆技术将节点部件喷涂在工地上，然后将其安装在一起，然后在钢筋和水泥中进行加固。建筑费用主要取决于机械所耗费的能量、物料、时间以及少量的人工费用。根据设计图，可以将大楼分成几层，然后利用电脑进行仿真，计算出各层的不同构成线条，然后形成平面的模块化印刷轨道，这样就能知道所需的时间，以及所需的物料消耗。另外，打印线路的优化，建筑方案的优化，以及打印的进度的优化，还有很大的发展余地。

2  3D打印建筑的优势与不足分析

2.1 3D打印建筑

由于3D印刷技术的不断发展，3D印刷的产品也会不断增加。到了2013年一月为止，3D印刷的物品都是小型物件。然而，3D印刷技术的发展前景并不仅仅局限于制造 DIY家用产品。事实上，这种技术将会给传统的建筑业带来革命性的变革。在2013年一月，一个荷兰建筑师说他打算用3D印刷技术来建一座大楼。

2.2 3D印建筑的技术优势

2.2.1 施工工期短

该工程仅需一台3D打印机，一台电脑，准备好3D打印工程所需的特殊材料，再加上4个工人的协助，便能完工。以国内现有3D印刷技术为例，一日可完成10幢房子的印刷，这是传统施工技术所不具备的。利用电脑软件做设计图，作业系统会自动分析出设计图，并进行最优的设计，能迅速准确地完成墙体、楼板的制作，并且偏差仅在5~10 mm之间。该工程的建造进度是常规工程的10多个百分点，并且由于工程的复杂程度和其他方面的原因，不会造成工程造价的上升。据不全面数据显示，施工费用由70%下降到30%。

2.2.2 与传统的人工建筑工艺相比，3D打印建筑技术更加绿色环保

该工程对环境影响小，采用可再生的物料，不但对环境友好，而且费用低廉。采用工艺对建筑废弃物进行工艺处理，将物料进行拆分，然后按要求加入添加剂进行加工，然后按规定的比例和高强度混凝土进行搅拌。印刷物料被加工成一种新的水泥混合物，类似于挤压的方法，由喷嘴挤压印刷物料。比如在这里修建一座观光房屋，就不用将木头和混凝土运到工地上去了，因为所有的原材料都是一定量的，而且可以节省大量的建材，而且还可以通过对建筑废弃物的循环再循环，所以很难制造出任何的废弃物。也可以利用3D打印机将太阳能面板印刷在屋顶上，达到绿色、环保和节能的目的。同时也能减少施工时灰尘对人体的呼吸等造成的负面作用。

2.2.3 降低了施工作业时的危险

三维印刷的建筑工程将会在不需要人为介入的情况下，大大降低了工程的风险。根据数据显示，在2019年的第一季度，在建筑工程中死亡的人数超过一千四百多人，而建筑业又是最具危险性的。在工程建设中，工程人员因高空坠落、撞击等事故的发生，提高了工程作业的安全度，使工人的工作生活更安全。为施工单位节约了大量的人力和劳力，减少了工程建设中的安保工作。

2.2.4 墙体轻，具有可拓展性

由于3D印刷工程采用“轮廓工艺”制造的墙壁是中空的，而墙壁与墙壁的结构支撑能力则依赖于中间增加的波纹网格式结构。在此过程中可添加保温、隔音材料，例如泡沫泡沫塑料等，以实现保温、减噪、隔音。与钢筋水泥墙壁不同，3D打印房屋的墙壁要轻巧得多，安装起来也更加容易，可以扩展。

2.3 目前3D打印建筑的不足

2.3.1 材料性能不确定，未获相关部门认可，没有法律法规规范化

目前三维印刷的建材大多都是采用了一些新兴的技术，再加上不同的添加剂，以及不同等级的水泥，3D打印技术是一层一层地印刷，没有任何的钢筋，也没有任何的纵向加固，所以每一层的连接都是经过验证的。目前尚无有关资料可证明结构在抗震作用下所能经受的强度、强度、刚度等。另外，建材的质量标准、对人体的健康等关键指标，以及符合国家标准的规定，还有待权威机构的检测、确定和认证。这些印刷的建筑物能使用多久，回收的建材对人类的身体造成的危害尚不清楚。

2.3.2 高层建筑受限

3D印刷的建筑为何大多只限于一二楼？也有少量采用了采用传统工艺和外形技术相结合的多层房屋。由于打印机的大小，龙门型3D打印机的高度通常在6.6米左右，因此打印的建筑物不可能比印刷机的大小更大，而且还要计算喷头的冲击力，通常都是一次印刷。它的机械手微型机器人体型较小，可以进行多种方向的移动，不受垂直方向的影响，具有更大的灵活性，能更好地完成各种复杂的工作，但技术原理需要更多的知识，同时也会影响到机器人的移动距离。材料和建筑的主要指标是否达到了国家标准，还不能通过，非法的建筑是违法的，会被有关的单位给拆掉。

2.3.3 对专业人员要求高，培养难度大

一个合格的3D打印机，首先要掌握的是机电一体化，包括机械原理、房屋结构、混凝土结构原理、土力学基础、 CAD绘图等。作为一名技术工人，必须精通机械、自动化、建筑学、计算机编程，并将其运用到实际中去，同时还需要掌握多种学科的知识，从而极大地提升了技术工人的技能水平。

3  结束语

3D印刷技术在重构对象的几何结构和功能方面取得了相当程度的进步，甚至可以印刷出几乎所有静止的图形，但这些移动的对象及其清晰程度却很难达到。但是最根本的问题是大小。2维打印是很常见的，最基本的道理就是，打印机的大小和体积都要比打印机大，所以喷嘴的移动面积必须要大得多。在三维印刷方面，这就是：假如要印刷房子，那么打印机要大得多。规模愈大的机械愈困难，愈是愈大的机械愈能降低印刷的准确性与印速。因此，在目前阶段，要想搞定3D打印房子的几个基础问题：材质、控制、精确性等。

参考文献

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