3D打印技術在建筑工程中的應用及發展

石寶存，張士萍，李成，陳瑋

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著近幾十年來科學技術的迅速發展，全球經濟一體化趨勢進一步增強，作為與人類息息相關的建筑領域也面臨著新的機遇與挑戰。3D打印作為第三次工業革命的重要標志，它在建筑領域發揮著重要作用，解決了許多傳統建筑的難題，把建筑領域帶向了一個新的高度。本文將闡述3D打印技術的組成以及在建筑領域的發展應用。

1 3D打印概述

在建筑領域里3D打印稱為增材制造[1]，就是從沒有到有的一種增加材料的建造方式。在建筑行業中，3D打印主要流程是準備3D打印的模型文件，獲取文件之后使用專用的3D打印機進行打印，待打印完成之后，進行后期工藝處理從而得到具有實用性價值的建筑結構。3D打印結合計算機，將所需要的建筑模型輸入，加入適當的材料，就可以直接將所需的建筑打印出來，大大減少了人力施工和施工工期。它將設計、修建、材料應用、施工工序等融為一體，形成一個與傳統工藝不一樣的體系，同時具有綠色建筑的環保特性和裝配式建筑的高效便捷與安全性。

2 3D打印技術工藝發展

3D打印建筑與傳統建筑的不同在于3D打印直接通過計算機輔助設計將獲取的圖形文件傳遞給打印機，打印機按照所設定的程序直接將文件中的建筑打印出來。根據建筑成型的原理不同可以將3D打印技術分為[2]：SLA技術、FDM技術、SLS技術和LOM技術。

2.1 SLA技術

SLA技術也稱為快速成型技術，國外將其稱之為RP（Raipid Protoyping）。SLA技術就是被國內學者稱為增材制造的3D打印技術，也就是將材料一層一層累加起來的技術。其所有的操作都是在電腦程序控制下進行的，電腦會根據輸入的CAD空間模型，通過打印機噴嘴將材料精準堆積，還可以設定堆積的厚度、打印程度以及打印位置，縮短了施工工期，減少了大量的人力物力。

SLA技術原理是使用液態光敏樹脂通過光聚合原理所得出來的。液態光敏樹脂的光聚合是通過紫外激光、偏轉鏡、光敏樹脂、刮平器、升降臺來完成的，首先需要將槽中裝滿液態光敏樹脂，利用紫外激光照射在偏轉鏡上，在液態光敏樹脂中的偏轉鏡會形成一道光斑，光斑經過的地方就會液態轉換成固態，使用電腦控制光斑的走向就會形成一層固態光敏樹脂，當第一層結束之后，將升降臺下降一層的高度，開啟刮平器將上一層的固態光敏樹脂表面的液態光敏樹脂刮平，然后再開始下一層的操作，這樣重復操作就可以得到真的建筑模型[3]。其基本工作原理如圖1所示。

圖1 SLA基本原理示意

2.2 FDM技術

FDM（Fused Deposition）技術國內常稱為熔融沉積成型技術，也是最具潛力的3D打印技術之一。FDM技術由Stratasys公司研究設計并運用在一系列高端系統中，例如：FDM Maxum、Prodigy Plus以及 Dimension等。FDM技術利用 ABS、polycarbonate(PC)、polyphenylsulfone(PPSF)以 及 其他材料。這些熱塑性材料在噴頭中熔化為半熔融的細絲，直接從三維CAD數據中以一種沉積在一層堆疊上的方式構建。這種技術通常用于建筑成型、裝配構件以及建筑模型設計。此外，FDM技術還應用于制造模型和快速制造等方面。

FDM技術的成型原理是電腦控制的打印機根據生成的STL文件，經過平面截面外側邊緣輪廓以及輔助填充線控制噴頭，將打印材料在高溫熔化之后噴出，冷卻之時完成一層的打印，之后電腦控制打印機噴頭向規定的方向移動一定的距離，如此重復打印，最后完成建筑打印[4]。但這種打印技術對所使用的材料有著相關的規范和要求，該材料常使用低熔點樹脂，PLA等。FDM流程如圖2所示。

圖2 FDM流程表

2.3 SLS技術

SLS技術又稱為選擇性激光燒結，是一種制作金屬制品的工藝，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Deckard于20世紀80年代末期研制成功。該技術在建筑上應用有著制造簡單、施工工期短等優點。現階段選擇性激光燒結技術能使用的材料比其他幾種3D打印技術要多，其可使用的材料有蠟、纖維尼龍、合成尼龍等。SLS技術和FDM技術一樣不需要支撐就可以進行疊加打印，與其他打印方式不同的是，SLS技術可以和傳統建筑業相輔助來完成施工工藝。

作為增材制造中的一種，SLS技術是采用的“分層制造，逐層疊加”的方式完成打印制作的，選擇性激光燒結技術主要是由計算機控制系統、激光器、掃描器、鋪粉滾筒、粉末杠、成型杠、未燒結粉和末燒結桿完成[5]，其原理如圖3所示是根據電腦中所獲取的三維建筑模型通過噴頭將一層粉末材料被平鋪到模壓件的上表面，加熱到低于粉末燒結點的一定溫度，控制系統根據粉末掃描層的截面輪廓來控制激光束，使粉末的溫度上升到熔點，燒結，并與下面的模壓件結合。當一層橫截面燒結完成時，該表層減小了一層的厚度，鋪粉滾筒上覆蓋著一層均勻致密的粉末，這是一層新的橫截面燒結層，直到整個模型完成為止。其基本工作原理如圖3所示。

圖3 SLS基本原理示意

2.4 LOM技術

LOM（Laminated Object Manufacturing）技術，也被稱為分層實體制造，是3D打印建筑領域中最具代表性的3D打印技術之一，也是國內使用的一種快速成型技術，但多使用紙材，薄片材料和熱熔膠為原材料。作為一種應用型技術，有著良好的發展前景，LOM技術的使用將推動相關產業的發展。

LOM技術快速成型系統由反射鏡、定位裝置、光路、層輪廓線、網格線、激光器以及熱壓軸等構建而成，其工作原理是將產品的三維CAD模型轉化為快速原型系統，在計算機中將CAD模型切割成一系列沿“薄截面”高度方向的數據處理軟件，利用該軟件獲取“表”各層的二維截面，并將其存儲在計算機中。加料機構將薄紙或塑料(如熱熔膠)送到工作臺頂部。在計算機的控制下，激光切割系統根據板材的二維輪廓切割原材料，將非輪廓區域切割成一個小網格。在每一層材料被切割后，工作臺將下降一個分層厚度，一個新的材料層被一個熱壓輥粘合在材料層的頂部。因此，往復式熱壓、切割、層壓件，直到所有的層都將多余的廢料清除干凈就得到所需的建筑[6]。分層實體制造的原理如圖4所示。

圖4 分層實體制造（LOM）快速成型系統原理

3 3D打印在工程實踐中的應用

目前3D打印技術已在很多建筑領域運用，例如：全球第一座3D打印建筑—莫比烏斯屋，3D打印全球首個商業別墅式酒店—劉易斯大酒店（Lewis Grand Hotel）等，經過檢測，這些建筑都已達到建筑要求，3D打印在工程上的應用將會逐步取代傳統施工工藝。而且3D打印在建筑上可以應用在設計建筑模型以及按照模型進行施工等多個方面。

3.1 設計建筑

現階段的打印技術還屬于初級階段，還有很多問題未找到解決方法，也就借鑒不了成熟的設計理論，這些問題主要就是要確定3D打印承受靜定力的計算方法，確定墻面需多厚才能達到相應的載荷，3D打印建筑內部結構受力狀況，理定內部載荷承接力公式，以及確定配筋率、抗拉抗壓抗震能力等問題。

3.2 建筑施工

雖然對于3D打印技術的研究目前還處于初級階段，但隨著國內外學者的不斷探索研究，目前已有多座真實的建筑通過3D打印建成，并已投入使用。2013年D-Shape 3D打印機的發明人EnricoDini與荷蘭建筑師簡加普合作使用無機粘結劑、砂礫層以及通過纖維強化混凝土進行填充，成功打印出一幢上下兩層的小樓。

2014年我國著名企業上海盈創建筑科技有限公司利用一臺超大型的3D打印機，用時24 h就成功打印出10幢小屋。2016年7月上海盈創公司用時19 d在迪拜打印出全球首個辦公室[7]，同時在2016年8月打印出了全球首個“綠色環保廁所”等。

4 結語

3D打印是世界性建筑業的革命，打破了建筑行業部件設計完全依靠于生產工藝來實現的狀況，使施工工地在生產的時候可以生產任何形狀、任何復雜程度的建筑而不用考慮生產工藝問題。由于3D打印不需要復雜的機械加工以及磨具就能直接根據獲取的數據打印出所需的建筑物，大大縮短了生產周期，提高了生產效率，同時對綠色環保做出了巨大貢獻。