3D打印建筑材料相關(guān)概念辨析

殷浩軒

摘 要：伴隨著計算機控制技術(shù)的逐漸研發(fā)，越來越多的領(lǐng)域中都可以應(yīng)用到計算機控制設(shè)備。3D打印技術(shù)與建筑行業(yè)相互結(jié)合產(chǎn)生3D打印建筑材料，該種建筑材料的出現(xiàn)了建筑行業(yè)發(fā)展，在全世界范圍內(nèi)取得了關(guān)注?；诖?，在本文中針對3D打印建筑材料的一些基本性問題進行研究，以探求3D打印建筑材料的相關(guān)機理等，希望相關(guān)的研究能夠促進建筑行業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打??；建筑；材料

3D打印技術(shù)是第三次工業(yè)革命的重要標志，該種技術(shù)也被稱為是一種快速成型技術(shù)，在醫(yī)療、模具、航空航天、汽車等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。近年來，3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用取得了較好的成績，如3D混凝土技術(shù)的應(yīng)用，帶動了建筑行業(yè)的發(fā)展。在未來，3D打印建筑材料的應(yīng)用將會更加的廣泛，因此，對于該種技術(shù)的相關(guān)研究，對于建筑領(lǐng)域的發(fā)展具有較為積極的意義。

1 基本概念

1.1 3D快速成型

3D打印快速成型技術(shù)的應(yīng)用，有效的提升工業(yè)生產(chǎn)的效率。小到日用的杯具，大到汽車發(fā)動機等復(fù)雜模型的生產(chǎn)，都可以在3D打印成型技術(shù)支持下來實現(xiàn)。在CAD設(shè)計基礎(chǔ)上，能夠直接打印出模具產(chǎn)品，將產(chǎn)品從圖紙設(shè)計中直接打印為實物，在該種3D打印技術(shù)的支持下，工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)了一體化[1]。

1.2 3D打印建筑

美國加州大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程教授洛克將3D打印建筑稱為“輪廓工藝”。

3D打印建筑的產(chǎn)生是在龍門架支持下，借助空間X軸、Y軸、Z軸三個方面的結(jié)構(gòu)變化，來產(chǎn)生建筑模型。龍門架實現(xiàn)在Y軸方向上的運動，打印頭實現(xiàn)X軸方向上的運動，懸掛桿實現(xiàn)Z軸方向的運動。以此，在空間坐標系的變換下，產(chǎn)生平面層的堆積，最終產(chǎn)生不同類型的建筑結(jié)構(gòu)。

1.3 3D打印材料

當(dāng)前，3D打印建筑施工中所應(yīng)用的材料研發(fā)還不成熟。在我國上海的3D打印建筑施工中，所應(yīng)用的打印材料為廢棄材料，將廢棄物研磨粉碎，攪拌水泥、纖維、以及有機粘合物，制成膏狀“油墨”，進行建筑3D打印。美國則采用樹脂砂漿類、粘土類的材料進行打印。

2 3D打印建筑材料的性能分析

3D打印建筑材料的性能優(yōu)越，與傳統(tǒng)的建筑材料相比，其強度有了一定的提升，同時具備保溫節(jié)能的特點。從建筑材料的整體應(yīng)用上分析，3D打印建筑材料經(jīng)濟性能凸顯。

2.1 強度

3D打印建筑材料的強度高低決定了其在建筑中應(yīng)用形式，當(dāng)前，我國的3D打印建筑材料可以應(yīng)用在12層建筑施工中，該種建筑材料的應(yīng)用抗壓強度為1.5MPa3.5MPa，該種建筑強度的建筑能夠滿足臨時應(yīng)用和展覽應(yīng)用目的。由于我國的建筑類型與國外建筑類型不同，在美國12層建筑能夠滿足居民生活需求。而在小高層、超高層建筑需求較大的情況下，應(yīng)用3D打印建筑材料的抗壓強度需要達到20MPa以上[2]。

2.2 保溫節(jié)能

建筑節(jié)能是建設(shè)可持續(xù)發(fā)展社會的重點內(nèi)容，3D打印建筑材料的應(yīng)用，其分為兩種類型，一種是保溫節(jié)能建筑材料，另一種是非保溫節(jié)能建筑材料。前者在材料研發(fā)中所采用的是樹脂型材料打印墻體蜂窩結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)能夠起到較好的節(jié)能目的。而非保溫節(jié)能建筑材料的應(yīng)用是制造出空腔墻體，該種墻體的靈活性比較高，如果想要提升其保溫性能，也可以向其中填充泡沫材料或者是再次澆注發(fā)泡材料。從3D打印建筑材料的發(fā)展方向上分析，一次打印成型的3D打印建筑材料有可能是多種材料也可能是多種功能的復(fù)合材料?；?D打印建筑材料的多元化，能有效的滿足建筑施工需求，還能夠從結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾等方面實現(xiàn)功能性打印。

2.3 抗震性

對于建筑領(lǐng)域而言，抗震性能的提升一直是建筑行業(yè)的研發(fā)重點，那么如何將3D打印建筑材料從油墨狀態(tài)轉(zhuǎn)換為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、或者玻璃鋼結(jié)構(gòu)，是3D打印建筑材料研發(fā)的關(guān)鍵。從鋼筋混凝土研發(fā)的思路出發(fā)，預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件、輕鋼筋結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等都需要與3D打印建筑材料相互結(jié)合，以提升建筑框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 3D打印建筑材料的性能優(yōu)化

3D打印建筑材料的性能決定著建筑施工質(zhì)量，那么為了提升3D打印建筑材料的性能，需要從3D打印材料的固化等方面進行優(yōu)化。3D打印建筑材料的固化會受到溫度、養(yǎng)護等條件的影響，因此，在進行材料的固化環(huán)節(jié)中需要嚴格的控制好3D打印建筑材料的參數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度為2838℃時，配比類型為緩凝，打印速度需要控制在100150mm/s，打印的厚度為80150mm；當(dāng)環(huán)境溫度為1428℃時，配比類型為正常，打印速度需要控制在150250mm/s，打印的厚度為5080mm；當(dāng)環(huán)境溫度為514℃時，配比類型為加速，打印速度需要控制在50100mm/s，打印的厚度為20mm。

在打印材料養(yǎng)護環(huán)節(jié)中，需要保障兩個問題，第一為強度的增強，第二為避免材料的開裂。通過水泥類無機凝膠材料拌合打印材料，保證環(huán)境的溫度和濕度，避免建筑材料出現(xiàn)水化和凝結(jié)[3]。

4 結(jié)論

3D打印技術(shù)作為新興產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在建筑行業(yè)小有應(yīng)用。這種新興科技可以極大地提高工業(yè)生產(chǎn)效率，發(fā)展?jié)摿薮蟆?D打印建筑材料的性能優(yōu)越，與傳統(tǒng)的建筑材料相比，其強度有了一定的提升，同時具備保溫節(jié)能的特點。盡管3D打印有些許缺陷，但對于有限大小和部分材料的生產(chǎn)是可以勝任的。因此，從建筑材料的整體應(yīng)用上分析，3D打印建筑材料經(jīng)濟性能凸顯。

參考文獻：

[1]丁烈云，徐捷，覃亞偉.建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)研究應(yīng)用綜述[J/OL].土木工程與管理學(xué)報，2015，32（3）：110.

[2]肖緒文，田偉，苗冬梅.3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[J].施工計術(shù)，2015，44（10）：7983.

[3]武威，王正君，趙春梅.3D混凝土打印技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].黑龍江水利，2015，1（12）：1720.