3D打印技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用及發(fā)展

石寶存，張士萍，李成，陳瑋

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著近幾十年來科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)一體化趨勢(shì)進(jìn)一步增強(qiáng)，作為與人類息息相關(guān)的建筑領(lǐng)域也面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。3D打印作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，它在建筑領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，解決了許多傳統(tǒng)建筑的難題，把建筑領(lǐng)域帶向了一個(gè)新的高度。本文將闡述3D打印技術(shù)的組成以及在建筑領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。

1 3D打印概述

在建筑領(lǐng)域里3D打印稱為增材制造[1]，就是從沒有到有的一種增加材料的建造方式。在建筑行業(yè)中，3D打印主要流程是準(zhǔn)備3D打印的模型文件，獲取文件之后使用專用的3D打印機(jī)進(jìn)行打印，待打印完成之后，進(jìn)行后期工藝處理從而得到具有實(shí)用性價(jià)值的建筑結(jié)構(gòu)。3D打印結(jié)合計(jì)算機(jī)，將所需要的建筑模型輸入，加入適當(dāng)?shù)牟牧?，就可以直接將所需的建筑打印出來，大大減少了人力施工和施工工期。它將設(shè)計(jì)、修建、材料應(yīng)用、施工工序等融為一體，形成一個(gè)與傳統(tǒng)工藝不一樣的體系，同時(shí)具有綠色建筑的環(huán)保特性和裝配式建筑的高效便捷與安全性。

2 3D打印技術(shù)工藝發(fā)展

3D打印建筑與傳統(tǒng)建筑的不同在于3D打印直接通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)將獲取的圖形文件傳遞給打印機(jī)，打印機(jī)按照所設(shè)定的程序直接將文件中的建筑打印出來。根據(jù)建筑成型的原理不同可以將3D打印技術(shù)分為[2]：SLA技術(shù)、FDM技術(shù)、SLS技術(shù)和LOM技術(shù)。

2.1 SLA技術(shù)

SLA技術(shù)也稱為快速成型技術(shù)，國外將其稱之為RP（Raipid Protoyping）。SLA技術(shù)就是被國內(nèi)學(xué)者稱為增材制造的3D打印技術(shù)，也就是將材料一層一層累加起來的技術(shù)。其所有的操作都是在電腦程序控制下進(jìn)行的，電腦會(huì)根據(jù)輸入的CAD空間模型，通過打印機(jī)噴嘴將材料精準(zhǔn)堆積，還可以設(shè)定堆積的厚度、打印程度以及打印位置，縮短了施工工期，減少了大量的人力物力。

SLA技術(shù)原理是使用液態(tài)光敏樹脂通過光聚合原理所得出來的。液態(tài)光敏樹脂的光聚合是通過紫外激光、偏轉(zhuǎn)鏡、光敏樹脂、刮平器、升降臺(tái)來完成的，首先需要將槽中裝滿液態(tài)光敏樹脂，利用紫外激光照射在偏轉(zhuǎn)鏡上，在液態(tài)光敏樹脂中的偏轉(zhuǎn)鏡會(huì)形成一道光斑，光斑經(jīng)過的地方就會(huì)液態(tài)轉(zhuǎn)換成固態(tài)，使用電腦控制光斑的走向就會(huì)形成一層固態(tài)光敏樹脂，當(dāng)?shù)谝粚咏Y(jié)束之后，將升降臺(tái)下降一層的高度，開啟刮平器將上一層的固態(tài)光敏樹脂表面的液態(tài)光敏樹脂刮平，然后再開始下一層的操作，這樣重復(fù)操作就可以得到真的建筑模型[3]。其基本工作原理如圖1所示。

圖1 SLA基本原理示意

2.2 FDM技術(shù)

FDM（Fused Deposition）技術(shù)國內(nèi)常稱為熔融沉積成型技術(shù)，也是最具潛力的3D打印技術(shù)之一。FDM技術(shù)由Stratasys公司研究設(shè)計(jì)并運(yùn)用在一系列高端系統(tǒng)中，例如：FDM Maxum、Prodigy Plus以及 Dimension等。FDM技術(shù)利用 ABS、polycarbonate(PC)、polyphenylsulfone(PPSF)以 及 其他材料。這些熱塑性材料在噴頭中熔化為半熔融的細(xì)絲，直接從三維CAD數(shù)據(jù)中以一種沉積在一層堆疊上的方式構(gòu)建。這種技術(shù)通常用于建筑成型、裝配構(gòu)件以及建筑模型設(shè)計(jì)。此外，F(xiàn)DM技術(shù)還應(yīng)用于制造模型和快速制造等方面。

FDM技術(shù)的成型原理是電腦控制的打印機(jī)根據(jù)生成的STL文件，經(jīng)過平面截面外側(cè)邊緣輪廓以及輔助填充線控制噴頭，將打印材料在高溫熔化之后噴出，冷卻之時(shí)完成一層的打印，之后電腦控制打印機(jī)噴頭向規(guī)定的方向移動(dòng)一定的距離，如此重復(fù)打印，最后完成建筑打印[4]。但這種打印技術(shù)對(duì)所使用的材料有著相關(guān)的規(guī)范和要求，該材料常使用低熔點(diǎn)樹脂，PLA等。FDM流程如圖2所示。

圖2 FDM流程表

2.3 SLS技術(shù)

SLS技術(shù)又稱為選擇性激光燒結(jié)，是一種制作金屬制品的工藝，由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Deckard于20世紀(jì)80年代末期研制成功。該技術(shù)在建筑上應(yīng)用有著制造簡(jiǎn)單、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段選擇性激光燒結(jié)技術(shù)能使用的材料比其他幾種3D打印技術(shù)要多，其可使用的材料有蠟、纖維尼龍、合成尼龍等。SLS技術(shù)和FDM技術(shù)一樣不需要支撐就可以進(jìn)行疊加打印，與其他打印方式不同的是，SLS技術(shù)可以和傳統(tǒng)建筑業(yè)相輔助來完成施工工藝。

作為增材制造中的一種，SLS技術(shù)是采用的“分層制造，逐層疊加”的方式完成打印制作的，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)主要是由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、激光器、掃描器、鋪粉滾筒、粉末杠、成型杠、未燒結(jié)粉和末燒結(jié)桿完成[5]，其原理如圖3所示是根據(jù)電腦中所獲取的三維建筑模型通過噴頭將一層粉末材料被平鋪到模壓件的上表面，加熱到低于粉末燒結(jié)點(diǎn)的一定溫度，控制系統(tǒng)根據(jù)粉末掃描層的截面輪廓來控制激光束，使粉末的溫度上升到熔點(diǎn)，燒結(jié)，并與下面的模壓件結(jié)合。當(dāng)一層橫截面燒結(jié)完成時(shí)，該表層減小了一層的厚度，鋪粉滾筒上覆蓋著一層均勻致密的粉末，這是一層新的橫截面燒結(jié)層，直到整個(gè)模型完成為止。其基本工作原理如圖3所示。

圖3 SLS基本原理示意

2.4 LOM技術(shù)

LOM（Laminated Object Manufacturing）技術(shù)，也被稱為分層實(shí)體制造，是3D打印建筑領(lǐng)域中最具代表性的3D打印技術(shù)之一，也是國內(nèi)使用的一種快速成型技術(shù)，但多使用紙材，薄片材料和熱熔膠為原材料。作為一種應(yīng)用型技術(shù)，有著良好的發(fā)展前景，LOM技術(shù)的使用將推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

LOM技術(shù)快速成型系統(tǒng)由反射鏡、定位裝置、光路、層輪廓線、網(wǎng)格線、激光器以及熱壓軸等構(gòu)建而成，其工作原理是將產(chǎn)品的三維CAD模型轉(zhuǎn)化為快速原型系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)中將CAD模型切割成一系列沿“薄截面”高度方向的數(shù)據(jù)處理軟件，利用該軟件獲取“表”各層的二維截面，并將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。加料機(jī)構(gòu)將薄紙或塑料(如熱熔膠)送到工作臺(tái)頂部。在計(jì)算機(jī)的控制下，激光切割系統(tǒng)根據(jù)板材的二維輪廓切割原材料，將非輪廓區(qū)域切割成一個(gè)小網(wǎng)格。在每一層材料被切割后，工作臺(tái)將下降一個(gè)分層厚度，一個(gè)新的材料層被一個(gè)熱壓輥粘合在材料層的頂部。因此，往復(fù)式熱壓、切割、層壓件，直到所有的層都將多余的廢料清除干凈就得到所需的建筑[6]。分層實(shí)體制造的原理如圖4所示。

圖4 分層實(shí)體制造（LOM）快速成型系統(tǒng)原理

3 3D打印在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

目前3D打印技術(shù)已在很多建筑領(lǐng)域運(yùn)用，例如：全球第一座3D打印建筑—莫比烏斯屋，3D打印全球首個(gè)商業(yè)別墅式酒店—?jiǎng)⒁姿勾缶频辏↙ewis Grand Hotel）等，經(jīng)過檢測(cè)，這些建筑都已達(dá)到建筑要求，3D打印在工程上的應(yīng)用將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)施工工藝。而且3D打印在建筑上可以應(yīng)用在設(shè)計(jì)建筑模型以及按照模型進(jìn)行施工等多個(gè)方面。

3.1 設(shè)計(jì)建筑

現(xiàn)階段的打印技術(shù)還屬于初級(jí)階段，還有很多問題未找到解決方法，也就借鑒不了成熟的設(shè)計(jì)理論，這些問題主要就是要確定3D打印承受靜定力的計(jì)算方法，確定墻面需多厚才能達(dá)到相應(yīng)的載荷，3D打印建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力狀況，理定內(nèi)部載荷承接力公式，以及確定配筋率、抗拉抗壓抗震能力等問題。

3.2 建筑施工

雖然對(duì)于3D打印技術(shù)的研究目前還處于初級(jí)階段，但隨著國內(nèi)外學(xué)者的不斷探索研究，目前已有多座真實(shí)的建筑通過3D打印建成，并已投入使用。2013年D-Shape 3D打印機(jī)的發(fā)明人EnricoDini與荷蘭建筑師簡(jiǎn)加普合作使用無機(jī)粘結(jié)劑、砂礫層以及通過纖維強(qiáng)化混凝土進(jìn)行填充，成功打印出一幢上下兩層的小樓。

2014年我國著名企業(yè)上海盈創(chuàng)建筑科技有限公司利用一臺(tái)超大型的3D打印機(jī)，用時(shí)24 h就成功打印出10幢小屋。2016年7月上海盈創(chuàng)公司用時(shí)19 d在迪拜打印出全球首個(gè)辦公室[7]，同時(shí)在2016年8月打印出了全球首個(gè)“綠色環(huán)保廁所”等。

4 結(jié)語

3D打印是世界性建筑業(yè)的革命，打破了建筑行業(yè)部件設(shè)計(jì)完全依靠于生產(chǎn)工藝來實(shí)現(xiàn)的狀況，使施工工地在生產(chǎn)的時(shí)候可以生產(chǎn)任何形狀、任何復(fù)雜程度的建筑而不用考慮生產(chǎn)工藝問題。由于3D打印不需要復(fù)雜的機(jī)械加工以及磨具就能直接根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)打印出所需的建筑物，大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)對(duì)綠色環(huán)保做出了巨大貢獻(xiàn)。