3D打印建筑技術(shù)與打印材料的發(fā)展研究

穆蒙蒙 張藝瀚

(1.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300402； 2.天津必沐賽思工程設(shè)計(jì)有限公司，天津 300143)

0 引言

3D打印技術(shù)(3D-printing)作為一項(xiàng)新興制造技術(shù)，在20世紀(jì)80年代后期迅速興起。3D打印又稱增材制造(Additive Manufacture，AM)，是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制建造過程的新興技術(shù)，在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，逐層打印構(gòu)造三維實(shí)體的快速制造工藝[1]。其技術(shù)原理為離散—堆積原理。無論是國內(nèi)還是國外，近些年，3D打印成為了熱門話題，引起越來越多國家學(xué)者的重視。

1 3D打印建筑技術(shù)的發(fā)展與優(yōu)勢

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)都在積極開發(fā)3D打印。汽車、機(jī)械工業(yè)、航天航空、生物醫(yī)療及建筑業(yè)等領(lǐng)域的專家學(xué)者都在積極著手研究3D打印技術(shù)的應(yīng)用。其中3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用雖然也在逐漸增多，但是發(fā)展較慢，仍處于初級階段。

3D打印建筑實(shí)體，首先需要在計(jì)算機(jī)中繪制建筑的三維立體模型，然后連接特制的打印機(jī)，并在打印機(jī)中加入打印建材，計(jì)算機(jī)控制打印噴嘴按照設(shè)計(jì)好的三維模型逐層打印，最終完成一個(gè)獨(dú)立完整的三維立體建筑實(shí)體。目前應(yīng)用在建筑領(lǐng)域的增材建造技術(shù)主要有：美國南加州大學(xué)Behrokh Khoshnevis提出的輪廓工藝(Contour Crafting)[2]，Monolite UK公司Enrico Dini發(fā)明的D型工藝(D-Shape)[3]，英國拉夫堡大學(xué)Richard Buswell提出的混凝土打印(Concrete Printing)[4]和由麻省理工學(xué)院Gershenfeld教授提出的數(shù)字建造技術(shù)[5]，如表1所示。

表1 建筑領(lǐng)域應(yīng)用的三維增材建造技術(shù)

與傳統(tǒng)的建筑過程相比，3D打印建筑技術(shù)極大程度上實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能、低污染、低勞動(dòng)強(qiáng)度的現(xiàn)代文明生產(chǎn)施工方式。具體表現(xiàn)為[6]：

1)施工效率提高，大幅縮短工期。

2)勞動(dòng)力投入降低，減少了人員傷亡的幾率，促進(jìn)施工現(xiàn)場安全管理。

3)施工現(xiàn)場的粉塵和噪聲減少，避免對環(huán)境造成污染。

4)建筑方式與類型更加靈活，施工精度提高，更易實(shí)現(xiàn)建筑的藝術(shù)性。

5)減少對建筑模板的依賴，降低材料浪費(fèi)，提高了資源的利用率。

6)機(jī)械化生產(chǎn)，會(huì)大大降低建筑生產(chǎn)成本。

2 3D打印技術(shù)對建筑材料的要求

2.1 強(qiáng)度要求

建筑材料強(qiáng)度的高低，決定了建筑的高低。由于3D打印建筑采用的是分層制造，以逐層疊加的方式形成三維實(shí)體，所以有可能存在先天的密實(shí)度缺陷，使其不能達(dá)到傳統(tǒng)方法制作的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度。因此，打印材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度，應(yīng)對其強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2.2 可擠出性與流動(dòng)性要求

3D打印過程中，打印材料是通過噴嘴擠壓而出的，為了保證打印的連續(xù)性，這就需要打印材料有良好的流動(dòng)性和可擠出性。

2.3 凝結(jié)性要求

在連續(xù)擠壓打印過程中，先打印的圖層不能因自重而產(chǎn)生嚴(yán)重變形，應(yīng)保證在一定堆砌高度時(shí)，下層圖層能較好支撐上層圖層，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)變形甚至坍塌，所以打印材料的流動(dòng)性也不能過大。為了保證3D打印建筑過程的連續(xù)性，混凝土的硬化時(shí)間在計(jì)算機(jī)程序的操控下，有嚴(yán)格的要求。

2.4 經(jīng)濟(jì)性要求

建筑3D打印材料在性能方面除了要滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中建筑物對承載力和耐久性的要求之外，從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能方面來說，它還應(yīng)該滿足成本低、易于就地取材、綠色環(huán)保等要求。只有這樣才有利于3D打印建筑技術(shù)的推廣和使用。

3 目前常用的3D打印材料

3D打印技術(shù)中，打印材料的研發(fā)是重中之重。發(fā)展3D打印建筑技術(shù)，首先要發(fā)展打印材料。建造宜居的3D打印建筑，一般都是采用巨型打印機(jī)利用逐層噴射粘性沙土或者混凝土的方法建造。然而目前3D打印建筑所采用的材料還不成熟。國內(nèi)外一些學(xué)者對3D打印建筑材料展開了初步研究和開發(fā)，如：荷蘭的專家曾研究應(yīng)用塑料及樹脂類的材料；美國學(xué)者則采用混凝土類、樹脂砂漿類、粘土類作為3D打印材料；英國拉夫堡大學(xué)研究者T.T.Le.等，專注于打印所需混凝土材料的性能。

其中，水泥基材料更能滿足3D打印建筑材料強(qiáng)度、流動(dòng)性，凝結(jié)性和經(jīng)濟(jì)性要求。不僅有較高的早期強(qiáng)度，較快的凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)具備適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性及較高的可塑性。下面以四種常見的水泥基3D打印建筑材料為對象，進(jìn)行簡要分析[7]。

3.1 硅酸鹽水泥基3D打印材料

普通硅酸鹽水泥是一種水泥膠凝材料，由硅酸鹽水泥熟料，5%～20%混合材料和適量的石膏制成。作為傳統(tǒng)建筑制造中用量最大的建筑材料，硅酸鹽水泥具有強(qiáng)度高、水化熱大，抗凍性好、干縮小，耐磨性較好、抗碳化性較好、耐腐蝕性差、不耐高溫的特性。其在新興的3D打印建筑領(lǐng)域也是主要原料之一。但由于硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間長，水化較慢等特點(diǎn)，會(huì)影響打印混凝土工程的連續(xù)性，因此需要在硅酸鹽水泥中添加一定量的助凝劑加快其水化和凝結(jié)。

3.2 硫鋁酸鹽水泥基3D打印材料

硫鋁酸鹽具有高強(qiáng)度和早強(qiáng)的特點(diǎn)，養(yǎng)護(hù)3 d就可以達(dá)到同級硅酸鹽水泥28 d的強(qiáng)度。克服了一般水泥水化時(shí)間長，冷凝硬化速度慢，不能滿足3D打印的缺點(diǎn)，硫鋁酸鹽可以在最短的時(shí)間內(nèi)以最快的速度凝固和硬化。然而，其施工成本略有增加。可以將硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥混合，以期調(diào)節(jié)其早期水化速度和早期強(qiáng)度，作為建筑3D打印材料使用。

3.3 磷酸鹽水泥基3D打印材料

磷酸鹽水泥主要分為兩種:磷酸鎂水泥和磷酸鈣水泥。作為一種氣硬性膠凝材料，它具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)時(shí)間短(1 min～10 min)、粘結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)良特性，且其流動(dòng)性也能滿足3D打印材料的要求。通過調(diào)節(jié)磷酸鹽水泥中緩凝劑的用量，可以實(shí)現(xiàn)打印過程中下層圖層在上層圖層打印前剛好凝結(jié)硬化，精準(zhǔn)控制其凝結(jié)時(shí)間。因其具有良好的力學(xué)性能和較好的生物相容性，磷酸鹽水泥在3D打印領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

3.4 地聚合物水泥基3D打印材料

地聚合物是利用燒黏土(偏高嶺土),Si,Al,O等硅鋁質(zhì)原材料經(jīng)過堿激發(fā)而形成的一種新型的無機(jī)聚合材料。具有早期強(qiáng)度高，凝結(jié)時(shí)間快，耐久性良好等特點(diǎn)，但是其本身不具有通過3D打印噴嘴的流動(dòng)性。研究人員為了改變它的流動(dòng)性，嘗試在地聚合物中加入氧化石墨烯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：石墨烯氧化物的加入可以明顯改變地質(zhì)聚合物的流變性，并保持原有的良好力學(xué)性能，更好地應(yīng)用在3D打印建筑中。

4 3D打印技術(shù)的發(fā)展研究方向

處在不斷發(fā)展和進(jìn)步的現(xiàn)代社會(huì)中，人們的環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，對于綠色居住提出了更為嚴(yán)格的要求，3D打印建筑技術(shù)的出現(xiàn)恰好符合人們對環(huán)保的追求，這就是為什么新型3D打印建筑技術(shù)的發(fā)展會(huì)受到廣泛的支持。但是，由于其發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用時(shí)間短，作為一種新型建造技術(shù)目前正處于研發(fā)試用階段，在某些方面還需要不斷研究和改進(jìn)。

4.1 研發(fā)高性能3D打印材料

受到打印材料的影響，國內(nèi)外現(xiàn)有的3D打印建筑多為中低層，無法滿足高層建筑的要求。應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)抗裂能力更強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度更高和塑性更加良好的復(fù)合材料。另一方面也可以向混凝土基材中加入細(xì)骨料和纖維材料，提高其抗裂、抗拉強(qiáng)度和其他各項(xiàng)性能指標(biāo)，獲取高性能3D打印材料。

4.2 將BIM技術(shù)與3D打印建筑技術(shù)融合

BIM技術(shù)在傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)揮了巨大的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。如果能夠利用計(jì)算機(jī)將BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，將有利于3D打印建筑過程的全方面管理，進(jìn)一步提高生產(chǎn)工作效率，提高企業(yè)的競爭優(yōu)勢，所以尋找BIM-3D技術(shù)在建筑行業(yè)的契合點(diǎn)，發(fā)揮雙方的優(yōu)勢，也是一個(gè)重要的研究方向。

4.3 提高3D打印建筑的打印精度

目前建筑業(yè)普遍都是大型工程結(jié)構(gòu)的建造，3D打印建筑精度問題備受關(guān)注。應(yīng)從建模、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)編程、材料編制、打印材料制備、打印設(shè)備工藝參數(shù)設(shè)置以及后期處理等方面著手，提高3D打印的精度，所以需要對3D建筑打印配套設(shè)備不斷改進(jìn)，在滿足現(xiàn)有建筑物的尺寸公差要求下，盡量考慮實(shí)現(xiàn)大型工程的建造。

5 結(jié)語

在建筑行業(yè)，3D打印技術(shù)仍處于初步階段。雖然在各類建筑物結(jié)構(gòu)形式中大規(guī)模使用3D打印建筑技術(shù)還有很多問題亟待解決，但是，3D打印建筑技術(shù)采用一種全新的設(shè)計(jì)邏輯和建造模式，將建筑形式、建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料高度整合，體現(xiàn)的是一種未來數(shù)字設(shè)計(jì)建筑模式下的建筑生態(tài)關(guān)系。毋庸置疑，3D打印技術(shù)會(huì)對未來建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。