3D打印技术在建筑领域的应用现状及前景分析

(重庆交通大学 重庆 400074)

一、3D打印概况

(一)3D打印概念及发展历程

3D打印(Three Dimensional Printing)技术，也即“三维打印技术”，被称为是具有工业革命意义的制造技术[1]。3D打印的本质是利用软件创建好3维模型再通过3D打印设备和树脂、热塑性塑料等打印材料逐层打印、堆积、粘接而成的实物产品。随着技术的进步，3D打印技术日益完善，并从最初的实验阶段逐步进入到实际应用中，出现市场化的趋势，目前许多学科领域都已开始运用该项技术。

3D打印思想和技术最早于20世纪80年代在美国提出，1986年，Charles Hull提出了光固化方法(SLA)的3D打印技术。1993年，世界上首台3D喷墨打印机面世。自20世纪90年代初，中国的几所知名理工类高校开始研究3D打印设备、材料、设计与成型软件开发、工业应用等方面。2012年，国内有关3D打印技术的文章席卷而来，3D打印研究文献遍布于多个学科领域，该技术广泛应用于建筑、汽车、医疗产业、航空航天等领域。

(二)3D 打印技术的分类

根据方法的不同可将3D打印技术分为6类:选择性激光烧结(SLS)、立体光固化(SLA)、熔融堆积成型(FDM)、叠层实体制造(LOM)、喷墨3D打印(3DP)、电子束熔融成型(EBM)，不同的3D打印技术具有其各自的特点以及各自适用的领域。本文重点介绍一下SLS、SLA、FDM技术：①SLS打印技术，该项技术是预先铺设一层薄状粉末材料，利用电脑控制激光烧结模型实体轮廓，循环往复层层堆积成型。该技术制造工艺简单，材料多元，成本低，烧结速度快，主要用于模具的迅速成型制造。②SLA打印技术，该技术以液态光敏树脂为原料，通过电脑控制将工件的每层截面数据在树脂表层逐点打印，再在固化好的液态树脂表面涂一层新的树脂，直到形成整个实体模型。③FDM打印技术，世界上使用 FDM 打印已有20多年之久，是一种适用于打印热塑性耐用材料的方法。FDM 技术采用工程级高性能热塑性塑料为基料来打印样品模型、功能性模型甚至最终可直接使用的工件。总的来说，SLS、SLA均为高精度的打印技术，不太适合打印建造大型房屋，但其精细度可以用作打印建造建筑物内部复杂多变的细小部件。对于FDM打印技术，若将熔融塑料换成快速成型的水泥，就能实现房屋的整体建造。

二、3D打印技术在我国建筑领域的理论研究

我国大量学者对3D打印技术在建筑业中的应用进行了深入的分析和探究，李忠福等结合实际案例分析了国内外关于建筑3D打印技术的应用现状，并分析了该技术存在的不足，为我国发展建筑3D打印提供了新的思路和方向[2]，王子明等认为3D打印技术改变了我国传统的制造模式，并且认为该技术在建筑领域内能得以广泛应用[3]；王小斐主要从3D打印技术在建筑设计阶段和施工阶段的具体应用进行分析[4]；田伟等对3D打印技术的发展现状进行分析，对建筑3D打印的应用范围进行了从简单到复杂的规划[5]；陈碧华等研究了3D打印技术在建筑业领域的适用性，并从全生命周期的角度分析了3D 打印技术在建筑领域中尚且存在的问题，明确3D打印技术的发展方向[6]。

三、3D打印技术在我国建筑领域的应用现状

随着住房和城乡建设部发布《2016～2020年建筑业信息化发展纲要》文件，提出要积极开展3D打印技术在建筑业中的应用研究，积极推动了国内建筑3D打印的发展。

目前，建筑3D打印的原材料主要来源于建筑垃圾、矿山尾矿及工业垃圾等废弃材料，实现了资源的回收再利用，建筑3D打印主要应用于工程设计阶段和建筑施工阶段。①设计阶段3D打印技术主要用于建筑模型的制作，利用其可视化特点，可以充分满足各种复杂的设计要求，能对实际工程的施工起到较好的预测，有助于建筑商及时止损。②建筑施工阶段3D打印技术主要用于打印个体构件和整体建筑，目前主要以“油墨”为原料打印建筑物墙体。

上海、苏州、西安等地已经出现了可供居住的3D打印试用房，2014年上海青浦展出的10栋3D打印二层办公用房，其建筑过程仅耗时24小时，节省了大量的工作时间；2015年，苏州工业园区的1栋1100m2带内外装的别墅和6层居住楼，其墙体均由3D打印技术打印而成，建筑材料均来自于建筑垃圾、工业垃圾等，该建筑相比传建筑来说节约了30%～60%的建筑材料，实现了能源的节约和再生利用，节省了约50%的成本，并且建造时降低了工作噪音，实现了绿色化生产。2015年7月，西安展出了两层高精装修的3D打印别墅，只耗时3小时。

四、我国建筑3D打印的应用前景

3D打印技术在建筑领域的应用前景广泛，从长远发展来看，可以应用以下几个领域。①复杂建筑装饰构件，建筑3D打印技术能更精准的呈现出构件的复杂结构。②经济适用房和公租房，利用建筑3D打印技术效率高，耗时短，成本低的特点来建造经济适用房和公租房修建，可以降低修建成本，满足低收入人口的居住条件。③抗震救灾安置2，建筑3D打印耗时短，当自然灾害不可避免的发生后可以快速建造安置房，在最短时间内妥善安置受灾民众。

五、总结

随着社会经济的发展，科技的进步，我国关于建筑3D打印有关的研究愈加深入，建筑3D打印技术将是建筑行业的一次巨大革新，3D打印技术在建筑领域应用前景广泛，但也存在建筑3D打印材料来源范围小、性能和强度能否达到建筑要求，打印设备的精准度和效率不够及其他一系列问题，力求尽快解决建筑业中3D打印技术的应用难题，实现建筑3D打印技术的新飞跃。