3D打印建筑材料發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用研究

楊勇

摘 要：3D打印成型技術(shù)是一種高效便捷的新型技術(shù)，在很多行業(yè)領(lǐng)域中都得到了普遍的應(yīng)用，而在建筑行業(yè)中也不例外。在未來(lái)建筑行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，3D打印建筑材料將成為了主流方向之一，有必要在當(dāng)前背景下進(jìn)行深入的分析。本文先闡述了3D打印建筑材料的相關(guān)定義以及目前國(guó)內(nèi)外常用的3D打印建筑材料，接著從多性能材料的融入、建筑產(chǎn)業(yè)與3D打印的高度融合、BIM技術(shù)與3D打印建筑技術(shù)的聯(lián)動(dòng)、3D打印建筑技術(shù)自身的固化問(wèn)題四個(gè)方面，綜合全面的探討了3D打印建筑材料的具體應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打??；建筑材料；建筑技術(shù)；多性能材料

1 前言

在上個(gè)世紀(jì)八十年代的時(shí)候，3D打印技術(shù)就被研發(fā)出來(lái)并得到了推廣使用。在三十多年的發(fā)展中，3D打印在世界上很多國(guó)家都獲得了廣泛的重視，并產(chǎn)生了較多可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在我國(guó)，3D打印技術(shù)在航空、醫(yī)療、建筑、食品等各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用也非常普遍，促進(jìn)我國(guó)各個(gè)行業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型與變革。單從建筑行業(yè)來(lái)看，3D打印建筑材料雖然具有較強(qiáng)的便捷性，但是其應(yīng)用層面并不算太深，需要在以后的發(fā)展中進(jìn)行專項(xiàng)的分析，提高3D打印建筑材料技術(shù)的實(shí)際價(jià)值，促進(jìn)其在建筑行業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 3D打印建筑材料的相關(guān)概述

3D打印技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將一些三維造型直接打印成為模具產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了一體化的生產(chǎn)。在建筑領(lǐng)域中，3D打印的實(shí)現(xiàn)主要是在XYZ軸三個(gè)方向來(lái)進(jìn)行建筑材料的結(jié)構(gòu)變化，最終能夠產(chǎn)生一個(gè)完整的建筑模型。其中打印頭、龍門(mén)架和懸掛桿分別實(shí)現(xiàn)了XYZ三軸的運(yùn)動(dòng)，形成不同類型的建筑結(jié)構(gòu)。在當(dāng)前的建筑行業(yè)領(lǐng)域中，3D打印的實(shí)際應(yīng)用并不算非常成熟，經(jīng)常會(huì)用于那些低層建筑中。在很多高層建筑或者各項(xiàng)要求比較高的建筑中，3D打印的應(yīng)用效果還非常有限。但3D打印建筑材料確實(shí)是建筑行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向，需要在以后進(jìn)行專項(xiàng)的分析。

3 目前國(guó)內(nèi)外常用的3D打印建筑材料分析

隨著3D打印在建筑行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外建筑行業(yè)中都出現(xiàn)了較多的建筑材料，這里主要選擇四種應(yīng)用比較普遍的材料。

第一，硅鹽酸水泥基材料。這種材料在建筑行業(yè)中本身就是一種用量比較大的材料，而在3D打印領(lǐng)域中也是一種主要材料。但3D打印需要材料具有較快的凝固速度，因此往往會(huì)加入一些速凝劑。

第二，硫鋁酸鹽水泥基材料。硫鋁酸鹽水泥本身的凝固時(shí)間就比較短，并且在強(qiáng)度、抗凍性、抗腐蝕性等多項(xiàng)性能中表現(xiàn)都比較突出，滿足了3D打印建筑材料的各項(xiàng)要求。但由于硫鋁酸鹽水泥的凝固時(shí)間過(guò)快，在高溫季節(jié)很有可能還沒(méi)有施工就已經(jīng)凝固，因此在使用的時(shí)候會(huì)適當(dāng)加入一些緩凝劑。

第三，地聚合物水泥基材料。這種材料主要是有鋁、硅的氧化物形成的無(wú)機(jī)聚合物，而在建筑工程中也可以使用建筑垃圾與礦物廢物來(lái)進(jìn)行制作。從這個(gè)角度來(lái)看，地聚合物水泥基具有較強(qiáng)的環(huán)保性，滿足我國(guó)關(guān)于環(huán)保節(jié)能材料推廣使用的相關(guān)戰(zhàn)略。我國(guó)也進(jìn)行了關(guān)于地聚合物材料使用的3D打印實(shí)驗(yàn)，開(kāi)始研究地聚合物水泥基在建筑工程中的各項(xiàng)力學(xué)性能，提高其在3D打印建筑材料中的應(yīng)用空間。

第四，磷酸鹽水泥基材料。這種材料凝固的速度比加快，在10min左右就可以完成凝固，在凝固初期就具有較高的強(qiáng)度，非常契合3D打印建筑材料的各項(xiàng)要求。

4 3D打印建筑材料的具體應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展

4.1 多性能材料的融入

在當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)于生態(tài)環(huán)境的重視程度也在不斷變高，希望建筑建設(shè)過(guò)程中能夠用到較多的環(huán)保材料。而3D打印建筑材料技術(shù)的推廣使用則能夠較好解決這方面的問(wèn)題，能夠提供一些多性能的建筑材料。目前世界上各個(gè)國(guó)家3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用主要在那些低層建筑上，并且在使用過(guò)程中也存在一定的局限性。這主要是因?yàn)?D打印建筑材料的強(qiáng)度與各項(xiàng)性能還無(wú)法得到較好的保證。因此我國(guó)如果能夠在下一步發(fā)展中致力于提高3D打印建筑材料的自身強(qiáng)度與性能，那么就能夠較好的改善這些問(wèn)題，提高這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用空間。除此之外，環(huán)保材料已經(jīng)成為了當(dāng)今建筑工程建設(shè)所考慮的重要方向之一，因此3D打印建筑材料也應(yīng)該向著這個(gè)方向靠攏，提供一些環(huán)保技能的建筑材料。

4.2 建筑產(chǎn)業(yè)與3D打印的高度融合

目前我國(guó)建筑行業(yè)已經(jīng)趨于產(chǎn)業(yè)化，因此3D打印建筑材料技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中也應(yīng)該注意融入建筑行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化。對(duì)于建筑行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)，需要3D打印建筑材料能夠在自身性能和生產(chǎn)技術(shù)操作等各個(gè)方面跟產(chǎn)業(yè)自身具有較強(qiáng)的協(xié)調(diào)性。我國(guó)多數(shù)建筑項(xiàng)目工程都屬于骨架-框架結(jié)構(gòu)。因此3D打印建筑材料就可以基于這些內(nèi)容直接形成內(nèi)部墻體結(jié)構(gòu)，解決建筑工程中常見(jiàn)的材料抗震能力差等問(wèn)題。在部分建筑工程中，3D打印建筑材料還能夠顯著優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)的外保溫隔熱性能，但這個(gè)方面還處于試行階段，無(wú)法在所有建筑工程中進(jìn)行推廣使用。因此在未來(lái)的發(fā)展中，3D打印建筑材料技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用應(yīng)該能夠跟建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緊密相連。

4.3 BIM技術(shù)與3D打印建筑技術(shù)的聯(lián)動(dòng)

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，建筑物形體也變得越來(lái)越復(fù)雜，建筑設(shè)計(jì)與施工的難度也在不斷變高。在這種背景下，傳統(tǒng)建筑技術(shù)已經(jīng)很難完成相關(guān)需求，很多新型的建筑技術(shù)開(kāi)始得到研發(fā)與應(yīng)用，比如BIM技術(shù)等。在建筑施工過(guò)程中，如果能夠?qū)IM技術(shù)跟3D打印建筑材料相結(jié)合在一起，就能夠發(fā)揮這兩種技術(shù)的合力。但想要充分發(fā)揮BIM-3D技術(shù)的作用與價(jià)值，相關(guān)技術(shù)人員還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于這兩種技術(shù)的了解與認(rèn)識(shí)，并且打破兩種技術(shù)存在的壁壘。在具體應(yīng)用的時(shí)候，技術(shù)人員也應(yīng)該多進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，明確聯(lián)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用效果，并進(jìn)行針對(duì)性的改善與調(diào)整。這樣以后，3D打印建筑材料就能夠跟建筑行業(yè)中的其他新型技術(shù)產(chǎn)生正向的結(jié)合效果，實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)的聯(lián)動(dòng)。

4.4 3D打印建筑技術(shù)自身的固化問(wèn)題

3D打印建筑材料在實(shí)際應(yīng)用中也存在較多的問(wèn)題，其中最為突出的就是材料自身凝固硬化速度問(wèn)題。具體來(lái)講，材料的凝固硬化速度跟溫度因素有非常顯著的相關(guān)性，因此在不同季節(jié)也應(yīng)該有針對(duì)性的是施工方案。通常來(lái)說(shuō)，在春季、夏季和秋季三個(gè)季節(jié)中，材料都可以正常凝固而不需要進(jìn)行額外的設(shè)置。但在冬季的時(shí)候，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)環(huán)境溫度來(lái)調(diào)整各個(gè)原料的配合比，保證最終材料能夠正常凝固硬化。這就需要技術(shù)人員能夠明確溫度跟材料凝固硬化速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，做好調(diào)整協(xié)調(diào)工作，保證3D打印建筑材料的實(shí)際應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

在建筑行業(yè)領(lǐng)域中，3D打印建筑材料技術(shù)目前正處于研究應(yīng)用的初級(jí)階段，能夠打印出一個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且強(qiáng)度和性能要求不高的建筑材料。但面對(duì)于整個(gè)建筑行業(yè)中各個(gè)建設(shè)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，這種應(yīng)用層次明顯是不夠的。因此在下一步的發(fā)展中，我們應(yīng)該繼續(xù)探究3D打印建筑材料技術(shù)的深入應(yīng)用，并且可以多開(kāi)發(fā)一些節(jié)能環(huán)保的材料，提高其應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于各個(gè)建筑技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在平時(shí)的時(shí)候也應(yīng)該多關(guān)注3D打印建筑材料技術(shù)，并將其與BIM技術(shù)等其他各類現(xiàn)代化技術(shù)聯(lián)動(dòng)在一起，提高其在建筑行業(yè)中的應(yīng)用效果。

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