3D打印建筑的设备与材料探讨

李志远，陈欢欢

（中建机械洛阳有限公司，河南 洛阳 471000）

随着3D打印技术与混凝土技术的发展和融合，3D打印技术进入建筑行业，国家在《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中要求积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究，探索3D打印技术运用于建筑部品、构件生产，开展示范应用。虽然目前建筑3D打印技术能够打印一些建筑构件以及一些结构不太复杂的小型建筑，但在实际工程施工应用阶段，仍面临许多问题，还处于起步探索阶段。

本文从3D打印建筑技术的概念出发，主要对3D打印建筑技术所采用设备及打印材料进行一些探讨。

1 3D打印建筑技术

3D打印又叫增材制造，是采用材料逐渐累加的方法制造实体的技术。3D打印建筑技术是将3D打印技术应用于混凝土施工的新技术，其主要工作原理是利用计算机将要打印的建筑进行模型分割，并将三维图形信息转化成打印路径及速度信息，然后由数控程序控制打印设备，使打印头按照计算机预先处理好的路径运动，打印头挤出的打印材料逐层叠加，从而实现对建筑物的自动建造，通俗的说，3D打印建筑就是用大型机器人建造房子。打印设备和打印材料是实现3D打印的基础。

2 3D打印建筑设备

打印设备是实现3D打印建造技术的工具，是3D打印建造的先决条件，打印头的运动是X、Y、Z三个方向的运动，所以3D打印建筑设备主体通常包括架体、垂直升降架（Z向）、水平行走架（X向、Y向）、打印头及各运动部分的驱动装置等。一般来说，全尺寸打印的建筑越大，所需要的打印设备就越大，对打印头运动的精度要求就越高，从而对打印设备的设计、制造、安装的要求就越高，目前3D打印建筑设备常见的结构型式有桁架式和龙门式。

2.1 桁架式3D打印建筑设备

桁架式3D打印建筑设备的组成部分主要有立柱框架、垂直升降架、打印横梁、打印头及其行走装置等几部分（图1）。图中的6根立柱顶部是用型钢或桁架连接在一起的，形成整个设备运行的整体框架，垂直升降架通过抱箍驱动装置沿着立柱上下垂直移动（Z向），打印横梁在垂直升降架平面上水平移动（X向），打印头沿着移动横梁水平移动（Y向），3个方向的位移从而实现3D打印。

立柱一般是型钢或者组焊式桁架，是整个设备框架的重要组成部分，也是垂直升降架升降的导柱，立柱的底部固定在地面上，顶部用型钢或者桁架连接，保证打印框架的整体性和稳定性；垂直升降架通过抱箍与立柱配合，抱箍内部设置有导向滚轮，抱箍上设置有齿轮齿条电机或其他驱动装置，控制升降框架的上升和下降。为保证打印头运动的稳定性，打印横梁通常设计为组合式双梁结构，打印横梁X向和打印头Y向水平行走通常用齿轮齿条电机驱动装置。为保证升降框架提升后的平面度，需精确控制每个提升点（抱箍）处提升的距离，所以垂直升降架的升降通常采用伺服电机控制，并需保证多个伺服电机的同步性，为了减轻提升重量，垂直升降架通常为铝合金桁架结构。

桁架式3D打印建筑设备的优点是由立柱及顶部支撑形成的整体框架稳定性强，可以有效承受打印头以较快速度打印直角、转弯或停止时产生的侧向冲击载荷，保证打印精度，此外这种结构型式适宜模块化设计，便于制造和安装，具有较强的可扩展性，适合开发用于施工现场的大型3D打印设备。

图1 桁架式3D打印建筑设备结构示意图

2.2 龙门式3D打印建筑设备

龙门式3D打印建筑设备架体结构类似龙门式起重机，其主要组成部分有轨道、架体及其行走机构、导柱、垂直升降架、打印头及其行走装置等几部分(图2)。垂直升降架通过抱箍驱动装置沿导柱上下垂直升降（Z向），架体沿轨道水平移动（X向），打印头沿垂直升降架水平移动（Y向），3个方向的位移从而实现3D打印。

图2 龙门式3D打印建筑设备结构示意图2

龙门式3D打印建筑设备的结构与桁架式最大的不同就是用架体沿地面轨道的移动（X向）替代了桁架式结构中打印横梁的水平移动（X向）。为了保证整个架体的稳定性，龙门式3D打印建筑设备架体的两侧通常采用八字形桁架结构；为保证打印头沿垂直升降架水平移动的稳定性，垂直升降架一般采用双梁组合结构，相应的与之相配合导柱也是双导柱，垂直升降架与导柱之间通过抱箍配合，提升时要考虑各提升点（抱箍）的同步性，以保证垂直升降架提升后的平面度。

龙门式3D打印建筑设备的优点是可以在水平方向（X向）做较大距离的扩展，只需要延长轨道就可以，其垂直升降架的提升点较少，易于控制各提升点的同步性及提升后垂直升降架的平面度，但其在打印过程中，X向打印需整个整个架体进行移动，所以限制了架体向大型化发展，比较适合打印小型低层建筑或者在工厂内打印建筑构件。

2.3 3D打印建筑设备设计制造关键点

3D打印建筑设备在设计制造时，首先应考虑整个结构的稳定性，因为在打印过程中，打印头内储满了打印材料，连同其行走装置等附属机构，运动部分的重量会比较大，惯性强，在打印直角、转弯或停止时会产生很大的侧向冲击；其次，要严格控制架体的制作、安装精度，特别是导柱的垂直度，因为3D打印的建造方式是逐层叠加，所以需保证垂直升降架的提升时的垂直度，否则将造成上下两层的错位，影响所打印建筑或构件的外形精度；再次，需保证打印头行走梁的挠度在一定范围内，因为在现有技术条件下，打印头打印的每一层材料厚度不能太大，目前常见的每层打印厚度是20mm。

2.4 3D打印建筑设备的发展及应用趋势

3D打印建筑设备的打印范围直接影响到可打印建筑的外形尺寸，目前常见的3D打印建筑设备主要用于打印建筑构件及一些结构不太复杂的小型建筑，为适应在施工现场打印足尺建筑的需要，模块化设计和组装、便于扩展和拆卸的大型建筑3D打印设备具有很大的需求和发展空间。在应用方面，3D打印的建造方式在建造形状复杂的特殊造型建筑方面具有独特的优势，不仅建造速度快，而且节约材料，建造质量高，发展前景非常广阔。

3 3D打印混凝土

混凝土这一在传统建筑行业中发挥重要作用的建筑材料，在3D打印建筑中同样具有举足轻重的作用，3D打印建筑采用的混凝土叫打印混凝土，主要要求有良好的施工性能和力学性能。

3.1 打印混凝土必须具有良好的施工性能

打印混凝土要求有适宜的流动度，因为打印混凝土要通过输送管道，经打印头挤出才能打印成型，若流动度过大，则打印过程中打印材料无法堆积，打印无法继续，若流动度太小，则容易造成输送管道或者打印头堵塞，并且使打印设备的清洗非常困难；此外，打印混凝土需要有较快的初凝时间，并具有足够的初凝强度，因为3D打印建筑技术是增材制造，打印过程是逐层叠加，所以如果下层材料不能较快的凝结，上层打印过程就没法继续，另外，如果下层材料初凝时没有足够的强度，则因为重力作用，上层材料的堆积就会使打印的墙体发生变形或者歪斜。实验表明，选择合适的促凝剂和缓凝剂，控制其比例组成，可实现在不同地区和环境温度下灵活控制打印混凝土的凝结时间和硬化速度。

3.2 打印混凝土必须具有良好的力学性能

众所周知，混凝土的特性是抗压，不抗拉，即单一的混凝土材料抗拉性能非常差，传统建造方式的解决办法是和钢筋一起使用，混凝土材料受压，钢筋受拉，混凝土和钢筋形成一个整体协同工作。目前的3D打印建筑只能采用单一的打印材料打印混凝土，对于梁板等受弯构件，一旦所受的拉应力超过材料的抗拉强度值，极易出现裂缝，对建筑结构来说，裂缝产生后，就会出现不可逆的破坏直至完全破坏，所以打印材料本身应具有良好的抗裂能力和韧性，防止由于干缩和徐变引起的裂缝，并防止构件发生脆性破坏。同时，打印混凝土的强度也制约着3D打印建筑技术的发展，目前，3D打印建筑还仅局限于中低层，无法满足中高层建筑的需要，实际应用中，可通过在打印混凝土中掺加玻璃纤维或者碳纤维等增强其抗压、抗弯强度，但应严格控制掺加比例。

4 结 语

随着社会发展，人们对于绿色环保的要求将越来越高，并且随着我国人口老龄化问题的到来，提升建造机械化水平、提升施工效率、减少劳动用工、实现绿色、智能建造具有十分重要的意义。3D打印建筑技术节材环保、免模板、低人工、高机械化的特点，可以促进建筑产业由传统作业方式向绿色、智能建造方式转型，着力解决3D打印建筑技术的设备和材料问题，再辅以合理的建造工艺，3D打印建筑技术一定能在国家建筑工业化的浪潮中发挥巨大作用。