3D打印技術在建筑領域的應用現狀及前景分析

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、3D打印概況

(一)3D打印概念及發展歷程

3D打印(Three Dimensional Printing)技術，也即“三維打印技術”，被稱為是具有工業革命意義的制造技術[1]。3D打印的本質是利用軟件創建好3維模型再通過3D打印設備和樹脂、熱塑性塑料等打印材料逐層打印、堆積、粘接而成的實物產品。隨著技術的進步，3D打印技術日益完善，并從最初的實驗階段逐步進入到實際應用中，出現市場化的趨勢，目前許多學科領域都已開始運用該項技術。

3D打印思想和技術最早于20世紀80年代在美國提出，1986年，Charles Hull提出了光固化方法(SLA)的3D打印技術。1993年，世界上首臺3D噴墨打印機面世。自20世紀90年代初，中國的幾所知名理工類高校開始研究3D打印設備、材料、設計與成型軟件開發、工業應用等方面。2012年，國內有關3D打印技術的文章席卷而來，3D打印研究文獻遍布于多個學科領域，該技術廣泛應用于建筑、汽車、醫療產業、航空航天等領域。

(二)3D 打印技術的分類

根據方法的不同可將3D打印技術分為6類:選擇性激光燒結(SLS)、立體光固化(SLA)、熔融堆積成型(FDM)、疊層實體制造(LOM)、噴墨3D打印(3DP)、電子束熔融成型(EBM)，不同的3D打印技術具有其各自的特點以及各自適用的領域。本文重點介紹一下SLS、SLA、FDM技術：①SLS打印技術，該項技術是預先鋪設一層薄狀粉末材料，利用電腦控制激光燒結模型實體輪廓，循環往復層層堆積成型。該技術制造工藝簡單，材料多元，成本低，燒結速度快，主要用于模具的迅速成型制造。②SLA打印技術，該技術以液態光敏樹脂為原料，通過電腦控制將工件的每層截面數據在樹脂表層逐點打印，再在固化好的液態樹脂表面涂一層新的樹脂，直到形成整個實體模型。③FDM打印技術，世界上使用 FDM 打印已有20多年之久，是一種適用于打印熱塑性耐用材料的方法。FDM 技術采用工程級高性能熱塑性塑料為基料來打印樣品模型、功能性模型甚至最終可直接使用的工件。總的來說，SLS、SLA均為高精度的打印技術，不太適合打印建造大型房屋，但其精細度可以用作打印建造建筑物內部復雜多變的細小部件。對于FDM打印技術，若將熔融塑料換成快速成型的水泥，就能實現房屋的整體建造。

二、3D打印技術在我國建筑領域的理論研究

我國大量學者對3D打印技術在建筑業中的應用進行了深入的分析和探究，李忠福等結合實際案例分析了國內外關于建筑3D打印技術的應用現狀，并分析了該技術存在的不足，為我國發展建筑3D打印提供了新的思路和方向[2]，王子明等認為3D打印技術改變了我國傳統的制造模式，并且認為該技術在建筑領域內能得以廣泛應用[3]；王小斐主要從3D打印技術在建筑設計階段和施工階段的具體應用進行分析[4]；田偉等對3D打印技術的發展現狀進行分析，對建筑3D打印的應用范圍進行了從簡單到復雜的規劃[5]；陳碧華等研究了3D打印技術在建筑業領域的適用性，并從全生命周期的角度分析了3D 打印技術在建筑領域中尚且存在的問題，明確3D打印技術的發展方向[6]。

三、3D打印技術在我國建筑領域的應用現狀

隨著住房和城鄉建設部發布《2016～2020年建筑業信息化發展綱要》文件，提出要積極開展3D打印技術在建筑業中的應用研究，積極推動了國內建筑3D打印的發展。

目前，建筑3D打印的原材料主要來源于建筑垃圾、礦山尾礦及工業垃圾等廢棄材料，實現了資源的回收再利用，建筑3D打印主要應用于工程設計階段和建筑施工階段。①設計階段3D打印技術主要用于建筑模型的制作，利用其可視化特點，可以充分滿足各種復雜的設計要求，能對實際工程的施工起到較好的預測，有助于建筑商及時止損。②建筑施工階段3D打印技術主要用于打印個體構件和整體建筑，目前主要以“油墨”為原料打印建筑物墻體。

上海、蘇州、西安等地已經出現了可供居住的3D打印試用房，2014年上海青浦展出的10棟3D打印二層辦公用房，其建筑過程僅耗時24小時，節省了大量的工作時間；2015年，蘇州工業園區的1棟1100m2帶內外裝的別墅和6層居住樓，其墻體均由3D打印技術打印而成，建筑材料均來自于建筑垃圾、工業垃圾等，該建筑相比傳建筑來說節約了30%～60%的建筑材料，實現了能源的節約和再生利用，節省了約50%的成本，并且建造時降低了工作噪音，實現了綠色化生產。2015年7月，西安展出了兩層高精裝修的3D打印別墅，只耗時3小時。

四、我國建筑3D打印的應用前景

3D打印技術在建筑領域的應用前景廣泛，從長遠發展來看，可以應用以下幾個領域。①復雜建筑裝飾構件，建筑3D打印技術能更精準的呈現出構件的復雜結構。②經濟適用房和公租房，利用建筑3D打印技術效率高，耗時短，成本低的特點來建造經濟適用房和公租房修建，可以降低修建成本，滿足低收入人口的居住條件。③抗震救災安置2，建筑3D打印耗時短，當自然災害不可避免的發生后可以快速建造安置房，在最短時間內妥善安置受災民眾。

五、總結

隨著社會經濟的發展，科技的進步，我國關于建筑3D打印有關的研究愈加深入，建筑3D打印技術將是建筑行業的一次巨大革新，3D打印技術在建筑領域應用前景廣泛，但也存在建筑3D打印材料來源范圍小、性能和強度能否達到建筑要求，打印設備的精準度和效率不夠及其他一系列問題，力求盡快解決建筑業中3D打印技術的應用難題，實現建筑3D打印技術的新飛躍。