3D打印建筑技術與打印材料的發展研究

穆蒙蒙 張藝瀚

(1.天津渤海職業技術學院,天津 300402； 2.天津必沐賽思工程設計有限公司，天津 300143)

0 引言

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

1 3D打印建筑技術的發展與優勢

隨著3D打印技術的不斷發展，各行各業都在積極開發3D打印。汽車、機械工業、航天航空、生物醫療及建筑業等領域的專家學者都在積極著手研究3D打印技術的應用。其中3D打印技術在建筑行業的應用雖然也在逐漸增多，但是發展較慢，仍處于初級階段。

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

表1 建筑領域應用的三維增材建造技術

與傳統的建筑過程相比，3D打印建筑技術極大程度上實現了綠色節能、低污染、低勞動強度的現代文明生產施工方式。具體表現為[6]：

1)施工效率提高，大幅縮短工期。

2)勞動力投入降低，減少了人員傷亡的幾率，促進施工現場安全管理。

3)施工現場的粉塵和噪聲減少，避免對環境造成污染。

4)建筑方式與類型更加靈活，施工精度提高，更易實現建筑的藝術性。

5)減少對建筑模板的依賴，降低材料浪費，提高了資源的利用率。

6)機械化生產，會大大降低建筑生產成本。

2 3D打印技術對建筑材料的要求

2.1 強度要求

建筑材料強度的高低，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體，所以有可能存在先天的密實度缺陷，使其不能達到傳統方法制作的結構構件的強度。因此，打印材料應具有較高的強度，應對其強度進行嚴格控制。

2.2 可擠出性與流動性要求

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性，這就需要打印材料有良好的流動性和可擠出性。

2.3 凝結性要求

在連續擠壓打印過程中，先打印的圖層不能因自重而產生嚴重變形，應保證在一定堆砌高度時，下層圖層能較好支撐上層圖層，避免發生結構變形甚至坍塌，所以打印材料的流動性也不能過大。為了保證3D打印建筑過程的連續性，混凝土的硬化時間在計算機程序的操控下，有嚴格的要求。

2.4 經濟性要求

建筑3D打印材料在性能方面除了要滿足現有標準中建筑物對承載力和耐久性的要求之外，從經濟性和環保性能方面來說，它還應該滿足成本低、易于就地取材、綠色環保等要求。只有這樣才有利于3D打印建筑技術的推廣和使用。

3 目前常用的3D打印材料

3D打印技術中，打印材料的研發是重中之重。發展3D打印建筑技術，首先要發展打印材料。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。國內外一些學者對3D打印建筑材料展開了初步研究和開發，如：荷蘭的專家曾研究應用塑料及樹脂類的材料；美國學者則采用混凝土類、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打印建筑材料強度、流動性，凝結性和經濟性要求。不僅有較高的早期強度，較快的凝結時間，同時具備適當的流動性及較高的可塑性。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。作為傳統建筑制造中用量最大的建筑材料，硅酸鹽水泥具有強度高、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打印建筑領域也是主要原料之一。但由于硅酸鹽水泥凝結時間長，水化較慢等特點，會影響打印混凝土工程的連續性，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。

3.2 硫鋁酸鹽水泥基3D打印材料

硫鋁酸鹽具有高強度和早強的特點，養護3 d就可以達到同級硅酸鹽水泥28 d的強度。克服了一般水泥水化時間長，冷凝硬化速度慢，不能滿足3D打印的缺點，硫鋁酸鹽可以在最短的時間內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，以期調節其早期水化速度和早期強度，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，它具有早期強度高、凝結時間短(1 min～10 min)、粘結強度高等優良特性，且其流動性也能滿足3D打印材料的要求。通過調節磷酸鹽水泥中緩凝劑的用量，可以實現打印過程中下層圖層在上層圖層打印前剛好凝結硬化，精準控制其凝結時間。因其具有良好的力學性能和較好的生物相容性，磷酸鹽水泥在3D打印領域具有廣闊的發展前景。

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等硅鋁質原材料經過堿激發而形成的一種新型的無機聚合材料。具有早期強度高，凝結時間快，耐久性良好等特點，但是其本身不具有通過3D打印噴嘴的流動性。研究人員為了改變它的流動性，嘗試在地聚合物中加入氧化石墨烯。實驗結果表明：石墨烯氧化物的加入可以明顯改變地質聚合物的流變性，并保持原有的良好力學性能，更好地應用在3D打印建筑中。

4 3D打印技術的發展研究方向

處在不斷發展和進步的現代社會中，人們的環保意識越來越強，對于綠色居住提出了更為嚴格的要求，3D打印建筑技術的出現恰好符合人們對環保的追求，這就是為什么新型3D打印建筑技術的發展會受到廣泛的支持。但是，由于其發展和實際應用時間短，作為一種新型建造技術目前正處于研發試用階段，在某些方面還需要不斷研究和改進。

4.1 研發高性能3D打印材料

受到打印材料的影響，國內外現有的3D打印建筑多為中低層，無法滿足高層建筑的要求。應進一步研發抗裂能力更強、抗拉強度更高和塑性更加良好的復合材料。另一方面也可以向混凝土基材中加入細骨料和纖維材料，提高其抗裂、抗拉強度和其他各項性能指標，獲取高性能3D打印材料。

4.2 將BIM技術與3D打印建筑技術融合

BIM技術在傳統建筑產業發揮了巨大的作用，具有廣闊的應用前景。如果能夠利用計算機將BIM技術與3D打印技術相結合，將有利于3D打印建筑過程的全方面管理，進一步提高生產工作效率，提高企業的競爭優勢，所以尋找BIM-3D技術在建筑行業的契合點，發揮雙方的優勢，也是一個重要的研究方向。

4.3 提高3D打印建筑的打印精度

目前建筑業普遍都是大型工程結構的建造，3D打印建筑精度問題備受關注。應從建模、計算機數據編程、材料編制、打印材料制備、打印設備工藝參數設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建筑打印配套設備不斷改進，在滿足現有建筑物的尺寸公差要求下，盡量考慮實現大型工程的建造。

5 結語

在建筑行業，3D打印技術仍處于初步階段。雖然在各類建筑物結構形式中大規模使用3D打印建筑技術還有很多問題亟待解決，但是，3D打印建筑技術采用一種全新的設計邏輯和建造模式，將建筑形式、建筑結構和建筑材料高度整合，體現的是一種未來數字設計建筑模式下的建筑生態關系。毋庸置疑，3D打印技術會對未來建筑產業的發展產生重大而深遠的影響。