3D 打印在建筑材料中的應用淺析

楊 奔 黃國全 李開慧 陳統姬 陳姣硯

（北海職業學院）

0 前言

隨著科學技術的發展，越來越多的新技術和新材料在建筑工程中得到應用，3D 打印技術和3D 打印材料就是其中之一。與傳統制造工藝技術相比，3D 打印技術具有非常多的優點：3D 打印技術不需要機械加工及制造模具，可以在計算機中設計后直接打印出成品；3D 打印技術可以打印出傳統制造技術無法制造出的復雜非線性外形；3D 打印技術可以一定程度上簡化生產流程和縮短制造時間。在工程項目中，采用3D 打印技術能夠制造出形狀復雜的構件而不增加制造成本；采用3D 打印技術能夠打破制造復雜構件的定價模式并改變計算制造成本的方式；采用3D 打印技術在一定程度上簡化了制作流程，設計師在計算機中設計出模型后，可直接采用3D 打印機打印出構件，避免還需另外聘請制造人員進行構件制造的流程，降低了成本，提高了效率；采用3D 打印技術可以提高分層制造，在一定程度上減少拼裝流程，實現整體設計、整體制造，例如采用3D 打印技術可以同時打印出一扇門及上面的配套鉸鏈及門栓，可在一定程度上縮短建造及拼裝時間；采用3D 打印技術可以依據需要進行制造，即時生產，減少構件的存放空間。目前，在建筑工程中，3D 打印技術在建筑土建材料建造、建筑設備材料建造等方面都有一定的應用。

1 建筑材料建造中進行3D 打印的必要性

在傳統建筑工程制造工藝中，如果需要砌筑柱、梁、板、結構墻等混凝土構件，往往需要先砌筑混凝土模板，再往模板中澆筑混凝土進行混凝土構件的砌筑。現階段用得比較多的模板主要有木模板和鋁合金等金屬模板。采用模板方式對混凝土構件進行砌筑，往往適用于砌筑線性標準型建筑構件。隨著人們生活水平的提高，人們對建筑的外觀、使用等要求也越來越高，越來越多的建筑開始采用多曲線、多曲面的非線性異形結構。然而，如果采用模板方式對多曲線、多曲面的非線性異形結構混凝土構件進行砌筑，相應的難度和成本將會大大地提高。例如，對于不規則曲面構件的砌筑，由于木模板不易加工成不規則曲面模板，故木模板砌筑法不適用于多曲線、多曲面的非線性異形結構混凝土構件；而如果采用鋁合金等金屬模板，則需要專門定制且不能重復利用，這會大大地增加相應的制造成本。因此，多曲線、多曲面的非線性建筑構件的制造及異形結構建筑的砌筑，是傳統模板砌筑構件生產模式的難點與缺陷。而3D 打印技術主要采用分層制造技術，且制造過程無需模板進行固定，故通過3D 打印方式進行多曲線、多曲面的非線性建筑構件的制造及異形結構建筑的砌筑，能夠較好地滿足相應的建造要求。因此，3D 打印技術在建筑工程建造中應用越來越多。

2 建筑3D 打印的相關研究及其應用

對于混凝土3D 打印，很多學者進行了研究，不少企業也在積極開展相關應用研究和推廣。同濟大學的肖建莊、柏美巖、唐宇翔、馬義和、陳寒、劉浩然等學者回顧了中國3D 打印混凝土技術應用歷程并預測了其發展趨勢。李之建、馬國偉、王里等學者對3D 打印連續微筋混凝土梁受彎承載力進行了試驗研究。李維紅、王乾、陳旭浩、常西棟、陳宇紅、裴強等學者研究了纖維對3D 打印水泥基材料力學性能的影響。外國的R.A.Buswell,W.R.Leal de Silva,S.Z.Jones,J.Dirrenberger 等學者對混凝土3D 打印給出了研究思路。F.P.Bos,E.Bosco,T.A.M.Salet 等學者研究了短直鋼纖維增強三維打印混凝土的延性。Biranchi Panda,Suvash Chandra Paul,Ming Jen Tan 等學者通過研究發現纖維材料可增強三維打印建筑材料的各向異性力學性能。這些學者基于理論和試驗的研究為混凝土3D 打印的應用奠定了基礎。在相關學者的研究基礎上，相關企業進行了3D 打印房屋的嘗試。中國建筑集團有限公司通過不斷試驗，研究出了適合3D 打印的混凝土配方及混凝土3D 打印方法和機器（如圖1 所示），并成功打印出了一棟能實際居住的房屋。外國的相關企業也利用建筑3D 打印技術，成功在一周內打印出了3 棟兩層別墅。由此可見，建筑3D 打印技術正逐步走向成熟并得到越來越多建筑企業的認可。3D 打印技術除了在建筑土建逐漸得到應用外，據相關報道，在建筑給排水工程、電氣工程、暖通工程中也得到了越來越多的應用。

圖1 混凝土3D 打印

3 結語

本文從3D 打印的必要性、建筑3D 打印的相關研究及其應用等方面闡述了3D 打印在建筑材料中的應用，隨著3D 打印技術的進一步成熟與發展，在建筑材料施工中使用3D 打印將會越來越多，將來對3D 打印在建筑材料中應用的研究也將會更為深入。