浅析3D打印技术在建筑行业的发展前景

2016-03-13张传柱

广东科技 2016年13期

文/张传柱

浅析3D打印技术在建筑行业的发展前景

文/张传柱

近年来，3D打印技术在制造行业掀起了一股热潮，该技术应用的范围甚广，如玻璃仪器、纺织制品、食品、国防以及航空等工业领域，且在生物医学等复杂的领域也逐渐应用到3D打印技术。3D打印技术是通过电脑三维设计软件，利用分层离散技术和数控成型系统，将各种物品的特殊材料进行构造从而制造出各种产品。该技术最早由美国麻省理工学院开发。对于打印复杂物品，3D打印具有很大优势。3D打印技术由电脑精准控制，制造过程基本上一次成型，不需要组装，制造过程不夹杂人工技能且不占空间。3D打印技术的发展，特别是3D打印材料的不断突破，令3D打印运用到各个行业成为可能。目前已有众多成熟的3D打印技术，如应用较为广泛的立体光固化成型技术、熔沉积成型技术、选择性激光烧结技术等。应用3D打印较多的行业有：

（1）手工制作业，传统的手工制作如陶瓷、铁器、玻璃、塑料瓶罐等。

（2）文化娱乐产品，3D打造的各种乐器、3D打印的桌面游戏等。

（3）航空航天领域，3D打印飞机零配件。

（4）军事国防领域，3D打印枪支等武器。

（5）生物医学领域，3D打印干细胞、制作人体器官及骨骼模型等。

（6）食品生产领域，3D打印各种类食物，例如糖果点心等食品，同时亦可打印各类食品的模具。

（7）建筑工程，3D打印各类型建筑模型和实体家具等。

（8）考古研究与教育，修复古老文物、还原物件原貌、3D打印制作教学模型、参与课程实验、应用于模型验证科学假设。

（9）个性化定制，基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

第一次工业革命与第二次工业革命的重要标志——蒸汽机与电齐名，被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”的3D打印技术毫无疑问将给制造业带来巨大的变革和技术创新，3D打印技术将以其高效生产与精密控制的特点推动整个制造业发展。

建筑业作为我国的一大产业，为国民经济作出了重大贡献。如2014年全国建筑企业完成建筑业总产值17.7万亿元。然而，由于劳动力素质不高、生产效率低下、产品质量不稳定，特别是劳动力的缺口，导致我国建筑企业的生产质量以及生产效率相对较低。国务院于2015年印发了《中国制造2025》计划，确定以信息技术与制造技术深度融合的网络化智能化制造为主线，深入推进制造业结构调整。若将3D打印技术广泛应用于建筑行业，这将契合信息技术与制造技术相融合的智能化制造。

1　3D打印技术在建筑行业的发展

鉴于3D打印技术在制造业上的优势及困扰建筑行业的劳动力与生产效率的问题，3D打印技术注定受到建筑建造者们的高度关注。已有众多产品如建筑模型、建筑浮雕和根雕等经3D打印技术制造出来。例如Rapidise公司利用3D打印机，进行了特征模型的制作；恩里克·迪尼（EnricoDini）利用3D打印机直接打印一幢完整的建筑，该建筑使用的打印原材料为沙子。其打印过程中，利用镁基胶和沙子合适的配比，打印出强度如岩石的固体，满足建筑物强度需求。很明显这种打印机比常规建筑方法的建设速度要快，材料的使用率要高，且形状设计需要考虑的因素少，也不会产生任何废料。

目前，打印材料的发展进度较快，在初始的橡胶、塑料的基础上增加了金属、生物等材料；而与建筑材料密切相关的，砂已作为材料。随着固化与熔融技术的快速发展，相信不久的将来，钢筋混凝土等方面的建筑材料会被研发出来。

2　建筑行业应用3D打印技术的优势

传统的建筑工艺是堆砌砖石，浇筑混凝土，实践证明制造过程中会造成过多浪费，而3D打印技术是基于材料的熔融重组，在制造过程必然能减少原材料的应用，节约建筑成本。

从我国建筑行业反映的情况可知，大部分企业均受到劳动力紧缺与素质低下的困扰。而劳动力又是建筑建造最重要的因素。在建筑工程日益专业化和大量化的情况下，解决劳动力问题将大大推进建筑工程行业的发展。3D打印技术在建筑行业必然会朝着打印具体建筑构件的方向发展，譬如打印建筑物的墙体、梁构件、柱构件等，届时，建筑企业只需购备打印设备与打印材料，培训专业操作人员便可摆脱劳动力带来的困扰。

建筑工程在建造时耗费的时间主要在于构件的分块施工，空间上变化为施工带来不便。3D打印技术应用于建筑工程方面，能够降低各阶段的衔接时间，同时施工各个构件，必然能够减少建造用时，提高生产效率。

同时，建筑工程运用3D打印技术能够对环境起到保护作用，除了减少建筑废料之外，还能利用熔铸技术对废弃金属材料提炼并进行循环利用。

3　3D打印在建筑行业面临的挑战

3.1用于建筑行业的3D打印技术能否突破限制

根据3D打印所用材料的状态及成形方法，3D打印技术可以分为熔融沉积成形、光固化立体成形、分层实体制造、电子束选区熔化、激光选区熔化、金属激光熔融沉积和电子束熔丝沉积成形。

（1）熔融沉积成形（FDM）。

熔融沉积成形技术(FDM)技术是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。

（2）光固化立体成形（SLA）。

光固化立体成形技术(SLA)是用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体。

（3）分层实体制造（LOM）。

分层实体制造技术（LOM）以薄片材料为原料，如纸、金属箔、塑料薄膜等，在材料表面涂覆热熔胶，再根据每层截面形状进行切割粘贴，实现零件的立体成形。这种技术速度较快，可以成形大尺寸的零件，但是材料浪费严重，表面质量差。

（4）电子束选区熔化（EBM）。

电子束选区熔化成形技术（EBM）是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成形材料，通过不断在粉末床上铺展金属粉末然后用电子束扫描熔化，使一个个小的熔池相互熔合并凝固，这样不断进行，形成一个完整的金属零件实体。这种技术可以成形出结构复杂、性能优良的金属零件，但是成形尺寸受到粉末床和真空室的限制。

（5）激光选区熔化（SLM）。

激光选区熔化成形技术（SLM）的原理与电子束选区熔化成形技术相似。

（6）金属激光熔融沉积（LDMD）。

金属激光熔融沉积成形技术（LDMD）以激光束为热源，通过自动送粉装置将金属粉末同步、精确地送入激光在成形表面上所形成熔池中。

（7）电子束熔丝沉积成形（EBF）。

电子束熔丝沉积成形技术又称电子束自由成形制造技术（EBF），是在真空环境中，以电子束为热源，金属丝材为成形材料，通过送丝装置将金属丝送入熔池并按设定轨迹运动，直到制造出目标零件或毛坯。

以上是目前3D打印常见的工艺方法，根据各自的工艺特点在不同的领域有不同的应用，这些工艺都是基于离散/堆积的原理，实现零件从无到有的过程。与常规的3D打印技术与打印设备不同，3D打印技术要在建筑行业中普及必须改进现有的设备。但目前还没有成熟稳定的3D打印技术足以打印钢筋混凝土等建筑材料，这是3D打印技术应用于建筑行业的核心，若能成功开发该技术，必然引起建筑行业的大变革。在日趋成熟的技术以及材料革新的条件下，相信不久的将来能够实现。

3.2用于建筑行业的3D打印材料能否生产

3D打印材料问题是3D打印成为主流生产制造方式的瓶颈之一，要打印出能够使用的建筑物，能否制造出适合于3D打印的建筑原材料，是研究者需要重视的问题。目前已有混凝土打印的技术，但混凝土与钢筋的结合，凝固时间的控制等问题依然有待研究者解决。

3.33D打印建筑物的安全能否得到保证

3D建筑打印受力的条件、稳定性等力学问题的研究现在依然空缺，这些问题需要研究人员进一步研究。