3D打印建筑材料相關概念辨析

殷浩軒

摘 要：伴隨著計算機控制技術的逐漸研發，越來越多的領域中都可以應用到計算機控制設備。3D打印技術與建筑行業相互結合產生3D打印建筑材料，該種建筑材料的出現了建筑行業發展，在全世界范圍內取得了關注。基于此，在本文中針對3D打印建筑材料的一些基本性問題進行研究，以探求3D打印建筑材料的相關機理等，希望相關的研究能夠促進建筑行業發展。

關鍵詞：3D打印；建筑；材料

3D打印技術是第三次工業革命的重要標志，該種技術也被稱為是一種快速成型技術，在醫療、模具、航空航天、汽車等領域中應用廣泛。近年來，3D打印技術在建筑領域中的應用取得了較好的成績，如3D混凝土技術的應用，帶動了建筑行業的發展。在未來，3D打印建筑材料的應用將會更加的廣泛，因此，對于該種技術的相關研究，對于建筑領域的發展具有較為積極的意義。

1 基本概念

1.1 3D快速成型

3D打印快速成型技術的應用，有效的提升工業生產的效率。小到日用的杯具，大到汽車發動機等復雜模型的生產，都可以在3D打印成型技術支持下來實現。在CAD設計基礎上，能夠直接打印出模具產品，將產品從圖紙設計中直接打印為實物，在該種3D打印技術的支持下，工業生產實現了一體化[1]。

1.2 3D打印建筑

美國加州大學工業與系統工程教授洛克將3D打印建筑稱為“輪廓工藝”。

3D打印建筑的產生是在龍門架支持下，借助空間X軸、Y軸、Z軸三個方面的結構變化，來產生建筑模型。龍門架實現在Y軸方向上的運動，打印頭實現X軸方向上的運動，懸掛桿實現Z軸方向的運動。以此，在空間坐標系的變換下，產生平面層的堆積，最終產生不同類型的建筑結構。

1.3 3D打印材料

當前，3D打印建筑施工中所應用的材料研發還不成熟。在我國上海的3D打印建筑施工中，所應用的打印材料為廢棄材料，將廢棄物研磨粉碎，攪拌水泥、纖維、以及有機粘合物，制成膏狀“油墨”，進行建筑3D打印。美國則采用樹脂砂漿類、粘土類的材料進行打印。

2 3D打印建筑材料的性能分析

3D打印建筑材料的性能優越，與傳統的建筑材料相比，其強度有了一定的提升，同時具備保溫節能的特點。從建筑材料的整體應用上分析，3D打印建筑材料經濟性能凸顯。

2.1 強度

3D打印建筑材料的強度高低決定了其在建筑中應用形式，當前，我國的3D打印建筑材料可以應用在12層建筑施工中，該種建筑材料的應用抗壓強度為1.5MPa3.5MPa，該種建筑強度的建筑能夠滿足臨時應用和展覽應用目的。由于我國的建筑類型與國外建筑類型不同，在美國12層建筑能夠滿足居民生活需求。而在小高層、超高層建筑需求較大的情況下，應用3D打印建筑材料的抗壓強度需要達到20MPa以上[2]。

2.2 保溫節能

建筑節能是建設可持續發展社會的重點內容，3D打印建筑材料的應用，其分為兩種類型，一種是保溫節能建筑材料，另一種是非保溫節能建筑材料。前者在材料研發中所采用的是樹脂型材料打印墻體蜂窩結構，該種結構能夠起到較好的節能目的。而非保溫節能建筑材料的應用是制造出空腔墻體，該種墻體的靈活性比較高，如果想要提升其保溫性能，也可以向其中填充泡沫材料或者是再次澆注發泡材料。從3D打印建筑材料的發展方向上分析，一次打印成型的3D打印建筑材料有可能是多種材料也可能是多種功能的復合材料。基于3D打印建筑材料的多元化，能有效的滿足建筑施工需求，還能夠從結構、保溫、裝飾等方面實現功能性打印。

2.3 抗震性

對于建筑領域而言，抗震性能的提升一直是建筑行業的研發重點，那么如何將3D打印建筑材料從油墨狀態轉換為鋼筋混凝土結構、或者玻璃鋼結構，是3D打印建筑材料研發的關鍵。從鋼筋混凝土研發的思路出發，預制鋼筋混凝土構件、輕鋼筋結構、木結構等都需要與3D打印建筑材料相互結合，以提升建筑框架結構、剪力墻結構的穩定性。

3 3D打印建筑材料的性能優化

3D打印建筑材料的性能決定著建筑施工質量，那么為了提升3D打印建筑材料的性能，需要從3D打印材料的固化等方面進行優化。3D打印建筑材料的固化會受到溫度、養護等條件的影響，因此，在進行材料的固化環節中需要嚴格的控制好3D打印建筑材料的參數。當環境溫度為2838℃時，配比類型為緩凝，打印速度需要控制在100150mm/s，打印的厚度為80150mm；當環境溫度為1428℃時，配比類型為正常，打印速度需要控制在150250mm/s，打印的厚度為5080mm；當環境溫度為514℃時，配比類型為加速，打印速度需要控制在50100mm/s，打印的厚度為20mm。

在打印材料養護環節中，需要保障兩個問題，第一為強度的增強，第二為避免材料的開裂。通過水泥類無機凝膠材料拌合打印材料，保證環境的溫度和濕度，避免建筑材料出現水化和凝結[3]。

4 結論

3D打印技術作為新興產業已經在建筑行業小有應用。這種新興科技可以極大地提高工業生產效率，發展潛力巨大。3D打印建筑材料的性能優越，與傳統的建筑材料相比，其強度有了一定的提升，同時具備保溫節能的特點。盡管3D打印有些許缺陷，但對于有限大小和部分材料的生產是可以勝任的。因此，從建筑材料的整體應用上分析，3D打印建筑材料經濟性能凸顯。

參考文獻：

[1]丁烈云，徐捷，覃亞偉.建筑3D打印數字建造技術研究應用綜述[J/OL].土木工程與管理學報，2015，32（3）：110.

[2]肖緒文，田偉，苗冬梅.3D打印技術在建筑領域的應用[J].施工計術，2015，44（10）：7983.

[3]武威，王正君，趙春梅.3D混凝土打印技術現狀及發展前景[J].黑龍江水利，2015，1（12）：1720.