文/張傳柱

淺析3D打印技術在建筑行業(yè)的發(fā)展前景

文/張傳柱

近年來，3D打印技術在制造行業(yè)掀起了一股熱潮，該技術應用的范圍甚廣，如玻璃儀器、紡織制品、食品、國防以及航空等工業(yè)領域，且在生物醫(yī)學等復雜的領域也逐漸應用到3D打印技術。3D打印技術是通過電腦三維設計軟件，利用分層離散技術和數控成型系統(tǒng)，將各種物品的特殊材料進行構造從而制造出各種產品。該技術最早由美國麻省理工學院開發(fā)。對于打印復雜物品，3D打印具有很大優(yōu)勢。3D打印技術由電腦精準控制，制造過程基本上一次成型，不需要組裝，制造過程不夾雜人工技能且不占空間。3D打印技術的發(fā)展，特別是3D打印材料的不斷突破，令3D打印運用到各個行業(yè)成為可能。目前已有眾多成熟的3D打印技術，如應用較為廣泛的立體光固化成型技術、熔沉積成型技術、選擇性激光燒結技術等。應用3D打印較多的行業(yè)有：

（1）手工制作業(yè)，傳統(tǒng)的手工制作如陶瓷、鐵器、玻璃、塑料瓶罐等。

（2）文化娛樂產品，3D打造的各種樂器、3D打印的桌面游戲等。

（3）航空航天領域，3D打印飛機零配件。

（4）軍事國防領域，3D打印槍支等武器。

（5）生物醫(yī)學領域，3D打印干細胞、制作人體器官及骨骼模型等。

（6）食品生產領域，3D打印各種類食物，例如糖果點心等食品，同時亦可打印各類食品的模具。

（7）建筑工程，3D打印各類型建筑模型和實體家具等。

（8）考古研究與教育，修復古老文物、還原物件原貌、3D打印制作教學模型、參與課程實驗、應用于模型驗證科學假設。

（9）個性化定制，基于網絡的數據下載、電子商務的個性化打印定制服務。

第一次工業(yè)革命與第二次工業(yè)革命的重要標志——蒸汽機與電齊名，被譽為“第三次工業(yè)革命的重要標志之一”的3D打印技術毫無疑問將給制造業(yè)帶來巨大的變革和技術創(chuàng)新，3D打印技術將以其高效生產與精密控制的特點推動整個制造業(yè)發(fā)展。

建筑業(yè)作為我國的一大產業(yè)，為國民經濟作出了重大貢獻。如2014年全國建筑企業(yè)完成建筑業(yè)總產值17.7萬億元。然而，由于勞動力素質不高、生產效率低下、產品質量不穩(wěn)定，特別是勞動力的缺口，導致我國建筑企業(yè)的生產質量以及生產效率相對較低。國務院于2015年印發(fā)了《中國制造2025》計劃，確定以信息技術與制造技術深度融合的網絡化智能化制造為主線，深入推進制造業(yè)結構調整。若將3D打印技術廣泛應用于建筑行業(yè)，這將契合信息技術與制造技術相融合的智能化制造。

1　3D打印技術在建筑行業(yè)的發(fā)展

鑒于3D打印技術在制造業(yè)上的優(yōu)勢及困擾建筑行業(yè)的勞動力與生產效率的問題，3D打印技術注定受到建筑建造者們的高度關注。已有眾多產品如建筑模型、建筑浮雕和根雕等經3D打印技術制造出來。例如Rapidise公司利用3D打印機，進行了特征模型的制作；恩里克·迪尼（EnricoDini）利用3D打印機直接打印一幢完整的建筑，該建筑使用的打印原材料為沙子。其打印過程中，利用鎂基膠和沙子合適的配比，打印出強度如巖石的固體，滿足建筑物強度需求。很明顯這種打印機比常規(guī)建筑方法的建設速度要快，材料的使用率要高，且形狀設計需要考慮的因素少，也不會產生任何廢料。

目前，打印材料的發(fā)展進度較快，在初始的橡膠、塑料的基礎上增加了金屬、生物等材料；而與建筑材料密切相關的，砂已作為材料。隨著固化與熔融技術的快速發(fā)展，相信不久的將來，鋼筋混凝土等方面的建筑材料會被研發(fā)出來。

2　建筑行業(yè)應用3D打印技術的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的建筑工藝是堆砌磚石，澆筑混凝土，實踐證明制造過程中會造成過多浪費，而3D打印技術是基于材料的熔融重組，在制造過程必然能減少原材料的應用，節(jié)約建筑成本。

從我國建筑行業(yè)反映的情況可知，大部分企業(yè)均受到勞動力緊缺與素質低下的困擾。而勞動力又是建筑建造最重要的因素。在建筑工程日益專業(yè)化和大量化的情況下，解決勞動力問題將大大推進建筑工程行業(yè)的發(fā)展。3D打印技術在建筑行業(yè)必然會朝著打印具體建筑構件的方向發(fā)展，譬如打印建筑物的墻體、梁構件、柱構件等，屆時，建筑企業(yè)只需購備打印設備與打印材料，培訓專業(yè)操作人員便可擺脫勞動力帶來的困擾。

建筑工程在建造時耗費的時間主要在于構件的分塊施工，空間上變化為施工帶來不便。3D打印技術應用于建筑工程方面，能夠降低各階段的銜接時間，同時施工各個構件，必然能夠減少建造用時，提高生產效率。

同時，建筑工程運用3D打印技術能夠對環(huán)境起到保護作用，除了減少建筑廢料之外，還能利用熔鑄技術對廢棄金屬材料提煉并進行循環(huán)利用。

3　3D打印在建筑行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

3.1用于建筑行業(yè)的3D打印技術能否突破限制

根據3D打印所用材料的狀態(tài)及成形方法，3D打印技術可以分為熔融沉積成形、光固化立體成形、分層實體制造、電子束選區(qū)熔化、激光選區(qū)熔化、金屬激光熔融沉積和電子束熔絲沉積成形。

（1）熔融沉積成形（FDM）。

熔融沉積成形技術(FDM)技術是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。

（2）光固化立體成形（SLA）。

光固化立體成形技術(SLA)是用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面.這樣層層疊加構成一個三維實體。

（3）分層實體制造（LOM）。

分層實體制造技術（LOM）以薄片材料為原料，如紙、金屬箔、塑料薄膜等，在材料表面涂覆熱熔膠，再根據每層截面形狀進行切割粘貼，實現(xiàn)零件的立體成形。這種技術速度較快，可以成形大尺寸的零件，但是材料浪費嚴重，表面質量差。

（4）電子束選區(qū)熔化（EBM）。

電子束選區(qū)熔化成形技術（EBM）是在真空環(huán)境下以電子束為熱源，以金屬粉末為成形材料，通過不斷在粉末床上鋪展金屬粉末然后用電子束掃描熔化，使一個個小的熔池相互熔合并凝固，這樣不斷進行，形成一個完整的金屬零件實體。這種技術可以成形出結構復雜、性能優(yōu)良的金屬零件，但是成形尺寸受到粉末床和真空室的限制。

（5）激光選區(qū)熔化（SLM）。

激光選區(qū)熔化成形技術（SLM）的原理與電子束選區(qū)熔化成形技術相似。

（6）金屬激光熔融沉積（LDMD）。

金屬激光熔融沉積成形技術（LDMD）以激光束為熱源，通過自動送粉裝置將金屬粉末同步、精確地送入激光在成形表面上所形成熔池中。

（7）電子束熔絲沉積成形（EBF）。

電子束熔絲沉積成形技術又稱電子束自由成形制造技術（EBF），是在真空環(huán)境中，以電子束為熱源，金屬絲材為成形材料，通過送絲裝置將金屬絲送入熔池并按設定軌跡運動，直到制造出目標零件或毛坯。

以上是目前3D打印常見的工藝方法，根據各自的工藝特點在不同的領域有不同的應用，這些工藝都是基于離散/堆積的原理，實現(xiàn)零件從無到有的過程。與常規(guī)的3D打印技術與打印設備不同，3D打印技術要在建筑行業(yè)中普及必須改進現(xiàn)有的設備。但目前還沒有成熟穩(wěn)定的3D打印技術足以打印鋼筋混凝土等建筑材料，這是3D打印技術應用于建筑行業(yè)的核心，若能成功開發(fā)該技術，必然引起建筑行業(yè)的大變革。在日趨成熟的技術以及材料革新的條件下，相信不久的將來能夠實現(xiàn)。

3.2用于建筑行業(yè)的3D打印材料能否生產

3D打印材料問題是3D打印成為主流生產制造方式的瓶頸之一，要打印出能夠使用的建筑物，能否制造出適合于3D打印的建筑原材料，是研究者需要重視的問題。目前已有混凝土打印的技術，但混凝土與鋼筋的結合，凝固時間的控制等問題依然有待研究者解決。

3.33D打印建筑物的安全能否得到保證

3D建筑打印受力的條件、穩(wěn)定性等力學問題的研究現(xiàn)在依然空缺，這些問題需要研究人員進一步研究。

4　展望

我國建筑行業(yè)正處于高速發(fā)展時期，與發(fā)達國家相比，該行業(yè)的生產效率相對較低，若能運用3D打印技術于建筑行業(yè)，必將推動該行業(yè)的迅速發(fā)展，為該行業(yè)開辟出一條新道路。該項技術需要政府扶持，加大科研力度，培養(yǎng)專門人才，才能促進該行業(yè)的發(fā)展。

張傳柱（1968-），助理工程師，大專，任職于安徽省馬鞍山市中國十七冶集團有限公司，研究方向為建筑新技術。