3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、3D打印概況

(一)3D打印概念及發(fā)展歷程

3D打印(Three Dimensional Printing)技術(shù)，也即“三維打印技術(shù)”，被稱為是具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)[1]。3D打印的本質(zhì)是利用軟件創(chuàng)建好3維模型再通過3D打印設(shè)備和樹脂、熱塑性塑料等打印材料逐層打印、堆積、粘接而成的實物產(chǎn)品。隨著技術(shù)的進步，3D打印技術(shù)日益完善，并從最初的實驗階段逐步進入到實際應(yīng)用中，出現(xiàn)市場化的趨勢，目前許多學科領(lǐng)域都已開始運用該項技術(shù)。

3D打印思想和技術(shù)最早于20世紀80年代在美國提出，1986年，Charles Hull提出了光固化方法(SLA)的3D打印技術(shù)。1993年，世界上首臺3D噴墨打印機面世。自20世紀90年代初，中國的幾所知名理工類高校開始研究3D打印設(shè)備、材料、設(shè)計與成型軟件開發(fā)、工業(yè)應(yīng)用等方面。2012年，國內(nèi)有關(guān)3D打印技術(shù)的文章席卷而來，3D打印研究文獻遍布于多個學科領(lǐng)域，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。

(二)3D 打印技術(shù)的分類

根據(jù)方法的不同可將3D打印技術(shù)分為6類:選擇性激光燒結(jié)(SLS)、立體光固化(SLA)、熔融堆積成型(FDM)、疊層實體制造(LOM)、噴墨3D打印(3DP)、電子束熔融成型(EBM)，不同的3D打印技術(shù)具有其各自的特點以及各自適用的領(lǐng)域。本文重點介紹一下SLS、SLA、FDM技術(shù)：①SLS打印技術(shù)，該項技術(shù)是預先鋪設(shè)一層薄狀粉末材料，利用電腦控制激光燒結(jié)模型實體輪廓，循環(huán)往復層層堆積成型。該技術(shù)制造工藝簡單，材料多元，成本低，燒結(jié)速度快，主要用于模具的迅速成型制造。②SLA打印技術(shù)，該技術(shù)以液態(tài)光敏樹脂為原料，通過電腦控制將工件的每層截面數(shù)據(jù)在樹脂表層逐點打印，再在固化好的液態(tài)樹脂表面涂一層新的樹脂，直到形成整個實體模型。③FDM打印技術(shù)，世界上使用 FDM 打印已有20多年之久，是一種適用于打印熱塑性耐用材料的方法。FDM 技術(shù)采用工程級高性能熱塑性塑料為基料來打印樣品模型、功能性模型甚至最終可直接使用的工件?？偟膩碚f，SLS、SLA均為高精度的打印技術(shù)，不太適合打印建造大型房屋，但其精細度可以用作打印建造建筑物內(nèi)部復雜多變的細小部件。對于FDM打印技術(shù)，若將熔融塑料換成快速成型的水泥，就能實現(xiàn)房屋的整體建造。

二、3D打印技術(shù)在我國建筑領(lǐng)域的理論研究

我國大量學者對3D打印技術(shù)在建筑業(yè)中的應(yīng)用進行了深入的分析和探究，李忠福等結(jié)合實際案例分析了國內(nèi)外關(guān)于建筑3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析了該技術(shù)存在的不足，為我國發(fā)展建筑3D打印提供了新的思路和方向[2]，王子明等認為3D打印技術(shù)改變了我國傳統(tǒng)的制造模式，并且認為該技術(shù)在建筑領(lǐng)域內(nèi)能得以廣泛應(yīng)用[3]；王小斐主要從3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計階段和施工階段的具體應(yīng)用進行分析[4]；田偉等對3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，對建筑3D打印的應(yīng)用范圍進行了從簡單到復雜的規(guī)劃[5]；陳碧華等研究了3D打印技術(shù)在建筑業(yè)領(lǐng)域的適用性，并從全生命周期的角度分析了3D 打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域中尚且存在的問題，明確3D打印技術(shù)的發(fā)展方向[6]。

三、3D打印技術(shù)在我國建筑領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《2016～2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》文件，提出要積極開展3D打印技術(shù)在建筑業(yè)中的應(yīng)用研究，積極推動了國內(nèi)建筑3D打印的發(fā)展。

目前，建筑3D打印的原材料主要來源于建筑垃圾、礦山尾礦及工業(yè)垃圾等廢棄材料，實現(xiàn)了資源的回收再利用，建筑3D打印主要應(yīng)用于工程設(shè)計階段和建筑施工階段。①設(shè)計階段3D打印技術(shù)主要用于建筑模型的制作，利用其可視化特點，可以充分滿足各種復雜的設(shè)計要求，能對實際工程的施工起到較好的預測，有助于建筑商及時止損。②建筑施工階段3D打印技術(shù)主要用于打印個體構(gòu)件和整體建筑，目前主要以“油墨”為原料打印建筑物墻體。

上海、蘇州、西安等地已經(jīng)出現(xiàn)了可供居住的3D打印試用房，2014年上海青浦展出的10棟3D打印二層辦公用房，其建筑過程僅耗時24小時，節(jié)省了大量的工作時間；2015年，蘇州工業(yè)園區(qū)的1棟1100m2帶內(nèi)外裝的別墅和6層居住樓，其墻體均由3D打印技術(shù)打印而成，建筑材料均來自于建筑垃圾、工業(yè)垃圾等，該建筑相比傳建筑來說節(jié)約了30%～60%的建筑材料，實現(xiàn)了能源的節(jié)約和再生利用，節(jié)省了約50%的成本，并且建造時降低了工作噪音，實現(xiàn)了綠色化生產(chǎn)。2015年7月，西安展出了兩層高精裝修的3D打印別墅，只耗時3小時。

四、我國建筑3D打印的應(yīng)用前景

3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣泛，從長遠發(fā)展來看，可以應(yīng)用以下幾個領(lǐng)域。①復雜建筑裝飾構(gòu)件，建筑3D打印技術(shù)能更精準的呈現(xiàn)出構(gòu)件的復雜結(jié)構(gòu)。②經(jīng)濟適用房和公租房，利用建筑3D打印技術(shù)效率高，耗時短，成本低的特點來建造經(jīng)濟適用房和公租房修建，可以降低修建成本，滿足低收入人口的居住條件。③抗震救災(zāi)安置2，建筑3D打印耗時短，當自然災(zāi)害不可避免的發(fā)生后可以快速建造安置房，在最短時間內(nèi)妥善安置受災(zāi)民眾。

五、總結(jié)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，科技的進步，我國關(guān)于建筑3D打印有關(guān)的研究愈加深入，建筑3D打印技術(shù)將是建筑行業(yè)的一次巨大革新，3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，但也存在建筑3D打印材料來源范圍小、性能和強度能否達到建筑要求，打印設(shè)備的精準度和效率不夠及其他一系列問題，力求盡快解決建筑業(yè)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用難題，實現(xiàn)建筑3D打印技術(shù)的新飛躍。