3D打印建筑材料發展現狀和應用研究

楊勇

摘 要：3D打印成型技術是一種高效便捷的新型技術，在很多行業領域中都得到了普遍的應用，而在建筑行業中也不例外。在未來建筑行業發展過程中，3D打印建筑材料將成為了主流方向之一，有必要在當前背景下進行深入的分析。本文先闡述了3D打印建筑材料的相關定義以及目前國內外常用的3D打印建筑材料，接著從多性能材料的融入、建筑產業與3D打印的高度融合、BIM技術與3D打印建筑技術的聯動、3D打印建筑技術自身的固化問題四個方面，綜合全面的探討了3D打印建筑材料的具體應用與未來發展。

關鍵詞：3D打印；建筑材料；建筑技術；多性能材料

1 前言

在上個世紀八十年代的時候，3D打印技術就被研發出來并得到了推廣使用。在三十多年的發展中，3D打印在世界上很多國家都獲得了廣泛的重視，并產生了較多可觀的經濟效益。在我國，3D打印技術在航空、醫療、建筑、食品等各個行業中的應用也非常普遍，促進我國各個行業的技術轉型與變革。單從建筑行業來看，3D打印建筑材料雖然具有較強的便捷性，但是其應用層面并不算太深，需要在以后的發展中進行專項的分析，提高3D打印建筑材料技術的實際價值，促進其在建筑行業領域中具有廣泛的應用前景。

2 3D打印建筑材料的相關概述

3D打印技術能夠在計算機設計的基礎上，將一些三維造型直接打印成為模具產品，實現了一體化的生產。在建筑領域中，3D打印的實現主要是在XYZ軸三個方向來進行建筑材料的結構變化，最終能夠產生一個完整的建筑模型。其中打印頭、龍門架和懸掛桿分別實現了XYZ三軸的運動，形成不同類型的建筑結構。在當前的建筑行業領域中，3D打印的實際應用并不算非常成熟，經常會用于那些低層建筑中。在很多高層建筑或者各項要求比較高的建筑中，3D打印的應用效果還非常有限。但3D打印建筑材料確實是建筑行業未來發展的重要方向，需要在以后進行專項的分析。

3 目前國內外常用的3D打印建筑材料分析

隨著3D打印在建筑行業中的廣泛應用，國內外建筑行業中都出現了較多的建筑材料，這里主要選擇四種應用比較普遍的材料。

第一，硅鹽酸水泥基材料。這種材料在建筑行業中本身就是一種用量比較大的材料，而在3D打印領域中也是一種主要材料。但3D打印需要材料具有較快的凝固速度，因此往往會加入一些速凝劑。

第二，硫鋁酸鹽水泥基材料。硫鋁酸鹽水泥本身的凝固時間就比較短，并且在強度、抗凍性、抗腐蝕性等多項性能中表現都比較突出，滿足了3D打印建筑材料的各項要求。但由于硫鋁酸鹽水泥的凝固時間過快，在高溫季節很有可能還沒有施工就已經凝固，因此在使用的時候會適當加入一些緩凝劑。

第三，地聚合物水泥基材料。這種材料主要是有鋁、硅的氧化物形成的無機聚合物，而在建筑工程中也可以使用建筑垃圾與礦物廢物來進行制作。從這個角度來看，地聚合物水泥基具有較強的環保性，滿足我國關于環保節能材料推廣使用的相關戰略。我國也進行了關于地聚合物材料使用的3D打印實驗，開始研究地聚合物水泥基在建筑工程中的各項力學性能，提高其在3D打印建筑材料中的應用空間。

第四，磷酸鹽水泥基材料。這種材料凝固的速度比加快，在10min左右就可以完成凝固，在凝固初期就具有較高的強度，非常契合3D打印建筑材料的各項要求。

4 3D打印建筑材料的具體應用與未來發展

4.1 多性能材料的融入

在當今時代的發展過程中，人們對于生態環境的重視程度也在不斷變高，希望建筑建設過程中能夠用到較多的環保材料。而3D打印建筑材料技術的推廣使用則能夠較好解決這方面的問題，能夠提供一些多性能的建筑材料。目前世界上各個國家3D打印技術在建筑行業中的應用主要在那些低層建筑上，并且在使用過程中也存在一定的局限性。這主要是因為3D打印建筑材料的強度與各項性能還無法得到較好的保證。因此我國如果能夠在下一步發展中致力于提高3D打印建筑材料的自身強度與性能，那么就能夠較好的改善這些問題，提高這項技術的應用空間。除此之外，環保材料已經成為了當今建筑工程建設所考慮的重要方向之一，因此3D打印建筑材料也應該向著這個方向靠攏，提供一些環保技能的建筑材料。

4.2 建筑產業與3D打印的高度融合

目前我國建筑行業已經趨于產業化，因此3D打印建筑材料技術在應用過程中也應該注意融入建筑行業的產業化。對于建筑行業產業發展來說，需要3D打印建筑材料能夠在自身性能和生產技術操作等各個方面跟產業自身具有較強的協調性。我國多數建筑項目工程都屬于骨架-框架結構。因此3D打印建筑材料就可以基于這些內容直接形成內部墻體結構，解決建筑工程中常見的材料抗震能力差等問題。在部分建筑工程中，3D打印建筑材料還能夠顯著優化剪力墻結構的外保溫隔熱性能，但這個方面還處于試行階段，無法在所有建筑工程中進行推廣使用。因此在未來的發展中，3D打印建筑材料技術的研發與應用應該能夠跟建筑產業化發展緊密相連。

4.3 BIM技術與3D打印建筑技術的聯動

隨著我國建筑行業的不斷發展，建筑物形體也變得越來越復雜，建筑設計與施工的難度也在不斷變高。在這種背景下，傳統建筑技術已經很難完成相關需求，很多新型的建筑技術開始得到研發與應用，比如BIM技術等。在建筑施工過程中，如果能夠將BIM技術跟3D打印建筑材料相結合在一起，就能夠發揮這兩種技術的合力。但想要充分發揮BIM-3D技術的作用與價值，相關技術人員還應該加強對于這兩種技術的了解與認識，并且打破兩種技術存在的壁壘。在具體應用的時候，技術人員也應該多進行相關實驗，明確聯動技術的應用效果，并進行針對性的改善與調整。這樣以后，3D打印建筑材料就能夠跟建筑行業中的其他新型技術產生正向的結合效果，實現不同技術的聯動。

4.4 3D打印建筑技術自身的固化問題

3D打印建筑材料在實際應用中也存在較多的問題，其中最為突出的就是材料自身凝固硬化速度問題。具體來講，材料的凝固硬化速度跟溫度因素有非常顯著的相關性，因此在不同季節也應該有針對性的是施工方案。通常來說，在春季、夏季和秋季三個季節中，材料都可以正常凝固而不需要進行額外的設置。但在冬季的時候，技術人員應該根據環境溫度來調整各個原料的配合比，保證最終材料能夠正常凝固硬化。這就需要技術人員能夠明確溫度跟材料凝固硬化速度之間的數學關系，做好調整協調工作，保證3D打印建筑材料的實際應用效果。

5 結束語

在建筑行業領域中，3D打印建筑材料技術目前正處于研究應用的初級階段，能夠打印出一個結構相對簡單，并且強度和性能要求不高的建筑材料。但面對于整個建筑行業中各個建設項目來說，這種應用層次明顯是不夠的。因此在下一步的發展中，我們應該繼續探究3D打印建筑材料技術的深入應用，并且可以多開發一些節能環保的材料，提高其應用價值。對于各個建筑技術人員來說，在平時的時候也應該多關注3D打印建筑材料技術，并將其與BIM技術等其他各類現代化技術聯動在一起，提高其在建筑行業中的應用效果。

參考文獻：

[1] 宋尚霖，趙千，汪林兵.3D打印建筑技術的發展及其材料結構—智能一體化展望[J].中外建筑，2015（9）：110～112.

[2] 殷浩軒.3D打印建筑材料相關概念辨析[J].科技風，2017（23）：103.