3D打印建筑材料现状及其发展

安雄宝、马泽琛、李俊、张壮壮、姜玉琢

中建二局第三建筑工程有限公司 北京 100070

摘要： 3D打印成型技术是一种高效便捷的新型技术,在很多行业领域中都得到了普遍的应用,而在建筑行业中也不例外.在未来建筑行业发展过程中,3D打印建筑材料将成为了主流方向之一,有必要在当前背景下进行深入的分析.本文先阐述了3D打印建筑材料的相关定义以及目前国内外常用的3D打印建筑材料,接着从多性能材料的融入、建筑产业与3D打印的高度融合、BIM技术与3D打印建筑技术的联动、3D打印建筑技术自身的固化问题四个方面,综合全面的探讨了3D打印建筑材料的具体现状与未来发展。

关键词：建筑材料；3D打印技术；应用

        长期以来，传统的建筑工具、制造技术和建筑材料等因素一直制约着建筑工程的施工方法。一是建筑中难以实施复杂的施工技术，二是传统的施工技术有缺陷。传统的技术不仅会对环境造成破坏，还会浪费原材料。三维打印技术在建筑材料行业的应用改变了传统建筑工具的不利影响，三维打印技术具有自身的优势，促进了我国建材行业的更好更快的发展。

 1、 3D打印技术简介

        3D打印技术不同于传统的打印技术。3D打印技术与打印机的技术原理非常相似，与传统的喷墨打印非常相似，但是与传统不同的是3D打印采用的不是油墨，而是真正的原材料，3D打印技术的成本较高，这一技术并没有取得很大的进步和发展。随着科学技术的不断进步，时代的变迁和发展，边缘技术的不断完善，三维技术取得了显著的进步。进入新世纪以来，我国3D打印专利数量迅速增加。不过3D打印技术在当前处于一个快速发展的时期，并且有着较高的技术水平，但在实际的应用中仍存在着许多的问题，为促进3D印刷产业的发展，需要对3D打印技术原材料的成本方面进行探讨。

2、适用于3D打印的建筑材料

        到目前为止，建筑行业已经应用了上千种建筑材料，但是3D打印技术对于建筑材料的要求较高，所以，3D打印技术应用于建筑行业是有挑战的一件事，目前3D打印技术应用于建筑行业有发展但是并不成熟。对于适用于3D打印技术的材料，当前的品种并不多需要对这方面进行更多的研究。如今国内外建筑行业对于适用于3D打印技术的材料的发现都在不断的探索之中，其中荷兰发现塑料和树脂材料可以用于3D打印机。另一方面，美国的相关建筑行业选择了树脂砂浆、粘土和混凝土等3D印刷材料，并通过一定的技术处理，已成功地应用于3D打印机。我国最典型的应用是在上海。选用建筑废料为原料，通过一系列的工艺加工、研磨、添加纤维、水泥和有机粘结剂来制造油墨，将其应用于3D打印机。

        2.1混凝土类材料

        混凝土材料是当前3D打印技术使用的主要材料，工作过程是在计算机控制下挤压配置的混凝土，通过挤压喷头获得混凝土构件。目前，混凝土材料与轮廓技术相结合，在3D打印建筑领域得到了广泛的应用。此外，随着材料科学和现代电子信息技术的飞速发展，3D建筑材料的智能化发展已成为人们关注的焦点。这种材料集成到信息科学的内容中，集成了感知、优化和控制驱动技术，谁的三d打印技术在建筑领域能够实现材料的仿生功能，使建筑能够实现具有自我诊断的能力，同时兼具环保效益。当3D打印建筑时多用硅酸盐水泥，硅酸盐水泥由于其自身的特性而具有水化时间比较长、凝结慢等特点。所以，为了满足3D打印建筑的要求，打印人员会在硅酸盐水泥中掺加一定量的速凝剂，以达到缩短其凝结硬化时间的目的。

        2.2  3D打印用地聚合物水泥基材料

        地聚合物，本身并不具有通过3D打印喷嘴的流动性，是大量利用矿物废物和建筑垃圾作为原料，在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料和耐高温材料等方面均有应用。因此，为了改变它的流动性，研究人员进行了诸多实验。我国高校研究人员尝试将氧化石墨烯加入其中来改变其流动性，以便让地聚合物材料更好地适用于3D打印操作。在3D打印实验中，由于需要稳定的流变性，因此需要控制地质聚合的粘度变化。具体来讲，打印的地聚物材料应该具有剪切稀化性能，允许在剪切下从喷嘴的平滑挤出，并且挤出的材料必须具有足够的力学性能以保持其形状并承受后挤出材料的重量。

 3、建筑3D打印材料应用技术现状

        据统计分析，国际涉及3D打印技术研究较为广泛的领域是工程技术、机械工程和计算机科学技术等，而土木建筑工程领域研究不足1%。国内则广泛运用于计算机科学技术、经济学和临床医学等领域，在土木建筑工程领域研究仅占3.2%。3D打印技术真正应用于建筑领域开始于2013年，在全球范围内，3D打印建筑技术相对领先的国家是美国、俄罗斯、荷兰、英国、日本、中国、阿联酋等国。2013年美国完成了世界上第一个3D打印建筑架构；2014年荷兰开建的Landscape House成为全球首座3D打印建筑，同时荷兰机器人公司MX3D完成的跨度12m长人行天桥Bridge项目，从2015年10月正式启动，中途几度中断，历经30个月，直到2018年4月才完成整个桥体，是全球首座3D打印技术的钢桥；泰国的水泥制造商SRI公司，于2017年开发的项目“三倍S”3D技术，推动在建筑领域以3D建模方式便捷地建造居住空间；迪拜推出了宏大的3D打印战略计划，即2025年前25%比例的新建筑都将采用3D打印技术制造。

        在我国，2014年4月，首批3D打印建筑在上海建成；2015年1月，在苏州建成了3D打印别墅住宅。2019年1月，跨度26.3 m堪称全球最大规模的混凝土3D打印步行桥，仅用450 h在上海宝山打印成型。此3D打印系统在机器臂前端打印头、打印路径生成及操作系统、独有的打印材料配方等方面的创新领先于国内外同行，且造价仅为普通桥梁造价的2/3。河南太空灰三维建筑打印科技有限公司已经开发了第二代智能3D建筑打印机，可打印任意形状实体，能应用于商业化，该系统可精确到点，连续打印无断点，还可以配合钢筋（笼）的交叉插入放置，根据需要智能暂停后可自动精确定位上次打印的位置。太空灰3D建筑打印技术在古建筑凉亭、公厕、污水井、景观墙、市政产品等方面也有广泛运用。

        在政策环境保障上，国家对于3D打印材料等新材料行业给予了重点支持。《绿色建筑行动方案》《中国制造2025》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》等政策先后出台，为我国3D打印材料的发展提供了保障，也为3D打印建筑的智能制造提供了坚实的基础保障。《“十三五”材料领域科技创新专项规划》提出到2020年，要实现3D打印材料80%以上国产化，对国内3D打印建筑提出了明确的目标要求。

  4、建筑3D打印材料发展探究

        联合国预测，到2050年，全球生活在城市的人口比例将由今天的54%上升到66%。截止2018年底，中国的城镇化率已经达到59.58%，但距离发达国家的70%尚有一定的发展空间。当前中国每年仅开发的商品住房建设竣工面积就达近10亿m2，此外还有数量庞大的商业、及公建项目。人工智能、物联网、虚拟现实、区块链等前沿科技与建筑和房地产市场的融合程度在不断深化,以满足建造领域各环节更高层次的市场需求，提升能源效率。3D打印、BIM技术、装配式技术的发展和创新推动了建筑从制造到“智造”,给项目全生命周期的各个环节带来巨大变革。全球最大的住宅开发商万科集团创始人王石公开指出，3D打印建筑是将来万科住宅生产方式的升级方向，以顺应新时期市场需求端的要求。

结语

        当前，3D打印建筑材料和打印技术正处于研究和发展阶段。3D打印技术虽然已经可以打印出简单的建筑，但材料强度、结构强度、抗震性能、安全性能仍是今后研究的重要方向。虽然3D打印建筑材料在建筑业中的研究应用刚起步，还有许多问题亟待解决，但以其节能环保的优势在建筑业具有光明的应用前景。

参考文献：

       [1]苏达.3D打印建筑结构材料的性能研究[J].工程建设与设计，2016,(7):52-54.

       [2]罗毅.3D打印建筑的应用与发展前景[J].现代城市,2019,14(03):23-27.