文/張傳柱

淺析3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的發(fā)展前景

文/張傳柱

近年來，3D打印技術(shù)在制造行業(yè)掀起了一股熱潮，該技術(shù)應(yīng)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(lǐng)域，且在生物醫(yī)學(xué)等復(fù)雜的領(lǐng)域也逐漸應(yīng)用到3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)是通過電腦三維設(shè)計軟件，利用分層離散技術(shù)和數(shù)控成型系統(tǒng)，將各種物品的特殊材料進(jìn)行構(gòu)造從而制造出各種產(chǎn)品。該技術(shù)最早由美國麻省理工學(xué)院開發(fā)。對于打印復(fù)雜物品，3D打印具有很大優(yōu)勢。3D打印技術(shù)由電腦精準(zhǔn)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(shù)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(shù)，如應(yīng)用較為廣泛的立體光固化成型技術(shù)、熔沉積成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)等。應(yīng)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(chǎn)品，3D打造的各種樂器、3D打印的桌面游戲等。

（3）航空航天領(lǐng)域，3D打印飛機(jī)零配件。

（4）軍事國防領(lǐng)域，3D打印槍支等武器。

（5）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印干細(xì)胞、制作人體器官及骨骼模型等。

（6）食品生產(chǎn)領(lǐng)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(fù)古老文物、還原物件原貌、3D打印制作教學(xué)模型、參與課程實驗、應(yīng)用于模型驗證科學(xué)假設(shè)。

（9）個性化定制，基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載、電子商務(wù)的個性化打印定制服務(wù)。

第一次工業(yè)革命與第二次工業(yè)革命的重要標(biāo)志——蒸汽機(jī)與電齊名，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”的3D打印技術(shù)毫無疑問將給制造業(yè)帶來巨大的變革和技術(shù)創(chuàng)新，3D打印技術(shù)將以其高效生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)，為國民經(jīng)濟(jì)作出了重大貢獻(xiàn)。如2014年全國建筑企業(yè)完成建筑業(yè)總產(chǎn)值17.7萬億元。然而，由于勞動力素質(zhì)不高、生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，特別是勞動力的缺口，導(dǎo)致我國建筑企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率相對較低。國務(wù)院于2015年印發(fā)了《中國制造2025》計劃，確定以信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的網(wǎng)絡(luò)化智能化制造為主線，深入推進(jìn)制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。若將3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，這將契合信息技術(shù)與制造技術(shù)相融合的智能化制造。

1　3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的發(fā)展

鑒于3D打印技術(shù)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(chǎn)效率的問題，3D打印技術(shù)注定受到建筑建造者們的高度關(guān)注。已有眾多產(chǎn)品如建筑模型、建筑浮雕和根雕等經(jīng)3D打印技術(shù)制造出來。例如Rapidise公司利用3D打印機(jī)，進(jìn)行了特征模型的制作；恩里克·迪尼（EnricoDini）利用3D打印機(jī)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(qiáng)度如巖石的固體，滿足建筑物強(qiáng)度需求。很明顯這種打印機(jī)比常規(guī)建筑方法的建設(shè)速度要快，材料的使用率要高，且形狀設(shè)計需要考慮的因素少，也不會產(chǎn)生任何廢料。

目前，打印材料的發(fā)展進(jìn)度較快，在初始的橡膠、塑料的基礎(chǔ)上增加了金屬、生物等材料；而與建筑材料密切相關(guān)的，砂已作為材料。隨著固化與熔融技術(shù)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(yīng)用3D打印技術(shù)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(shù)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(yīng)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(zhì)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(jìn)建筑工程行業(yè)的發(fā)展。3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)必然會朝著打印具體建筑構(gòu)件的方向發(fā)展，譬如打印建筑物的墻體、梁構(gòu)件、柱構(gòu)件等，屆時，建筑企業(yè)只需購備打印設(shè)備與打印材料，培訓(xùn)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(gòu)件的分塊施工，空間上變化為施工帶來不便。3D打印技術(shù)應(yīng)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(gòu)件，必然能夠減少建造用時，提高生產(chǎn)效率。

同時，建筑工程運用3D打印技術(shù)能夠?qū)Νh(huán)境起到保護(hù)作用，除了減少建筑廢料之外，還能利用熔鑄技術(shù)對廢棄金屬材料提煉并進(jìn)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(shù)能否突破限制

根據(jù)3D打印所用材料的狀態(tài)及成形方法，3D打印技術(shù)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(shù)(FDM)技術(shù)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(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。

（2）光固化立體成形（SLA）。

光固化立體成形技術(shù)(SLA)是用特定波長與強(qiáng)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(gòu)成一個三維實體。

（3）分層實體制造（LOM）。

分層實體制造技術(shù)（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(jù)每層截面形狀進(jìn)行切割粘貼，實現(xiàn)零件的立體成形。這種技術(shù)速度較快，可以成形大尺寸的零件，但是材料浪費嚴(yán)重，表面質(zhì)量差。

（4）電子束選區(qū)熔化（EBM）。

電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)（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(jìn)行，形成一個完整的金屬零件實體。這種技術(shù)可以成形出結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)（SLM）的原理與電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)相似。

（6）金屬激光熔融沉積（LDMD）。

金屬激光熔融沉積成形技術(shù)（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(shù)又稱電子束自由成形制造技術(shù)（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(shè)定軌跡運動，直到制造出目標(biāo)零件或毛坯。

以上是目前3D打印常見的工藝方法，根據(jù)各自的工藝特點在不同的領(lǐng)域有不同的應(yīng)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(shù)與打印設(shè)備不同，3D打印技術(shù)要在建筑行業(yè)中普及必須改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)備。但目前還沒有成熟穩(wěn)定的3D打印技術(shù)足以打印鋼筋混凝土等建筑材料，這是3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑行業(yè)的核心，若能成功開發(fā)該技術(shù)，必然引起建筑行業(yè)的大變革。在日趨成熟的技術(shù)以及材料革新的條件下，相信不久的將來能夠?qū)崿F(xiàn)。

3.2用于建筑行業(yè)的3D打印材料能否生產(chǎn)

3D打印材料問題是3D打印成為主流生產(chǎn)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(shù)，但混凝土與鋼筋的結(jié)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(xué)問題的研究現(xiàn)在依然空缺，這些問題需要研究人員進(jìn)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(dá)國家相比，該行業(yè)的生產(chǎn)效率相對較低，若能運用3D打印技術(shù)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(shù)需要政府扶持，加大科研力度，培養(yǎng)專門人才，才能促進(jìn)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(tuán)有限公司，研究方向為建筑新技術(shù)。