3D打印建筑技术与打印材料的发展研究

穆蒙蒙 张艺瀚

(1.天津渤海职业技术学院,天津 300402； 2.天津必沐赛思工程设计有限公司，天津 300143)

0 引言

3D打印技术(3D-printing)作为一项新兴制造技术，在20世纪80年代后期迅速兴起。3D打印又称增材制造(Additive Manufacture，AM)，是一种运用计算机全自动控制建造过程的新兴技术，在数字模型的基础上，逐层打印构造三维实体的快速制造工艺[1]。其技术原理为离散—堆积原理。无论是国内还是国外，近些年，3D打印成为了热门话题，引起越来越多国家学者的重视。

1 3D打印建筑技术的发展与优势

随着3D打印技术的不断发展，各行各业都在积极开发3D打印。汽车、机械工业、航天航空、生物医疗及建筑业等领域的专家学者都在积极着手研究3D打印技术的应用。其中3D打印技术在建筑行业的应用虽然也在逐渐增多，但是发展较慢，仍处于初级阶段。

3D打印建筑实体，首先需要在计算机中绘制建筑的三维立体模型，然后连接特制的打印机，并在打印机中加入打印建材，计算机控制打印喷嘴按照设计好的三维模型逐层打印，最终完成一个独立完整的三维立体建筑实体。目前应用在建筑领域的增材建造技术主要有：美国南加州大学Behrokh Khoshnevis提出的轮廓工艺(Contour Crafting)[2]，Monolite UK公司Enrico Dini发明的D型工艺(D-Shape)[3]，英国拉夫堡大学Richard Buswell提出的混凝土打印(Concrete Printing)[4]和由麻省理工学院Gershenfeld教授提出的数字建造技术[5]，如表1所示。

表1 建筑领域应用的三维增材建造技术

与传统的建筑过程相比，3D打印建筑技术极大程度上实现了绿色节能、低污染、低劳动强度的现代文明生产施工方式。具体表现为[6]：

1)施工效率提高，大幅缩短工期。

2)劳动力投入降低，减少了人员伤亡的几率，促进施工现场安全管理。

3)施工现场的粉尘和噪声减少，避免对环境造成污染。

4)建筑方式与类型更加灵活，施工精度提高，更易实现建筑的艺术性。

5)减少对建筑模板的依赖，降低材料浪费，提高了资源的利用率。

6)机械化生产，会大大降低建筑生产成本。

2 3D打印技术对建筑材料的要求

2.1 强度要求

建筑材料强度的高低，决定了建筑的高低。由于3D打印建筑采用的是分层制造，以逐层叠加的方式形成三维实体，所以有可能存在先天的密实度缺陷，使其不能达到传统方法制作的结构构件的强度。因此，打印材料应具有较高的强度，应对其强度进行严格控制。

2.2 可挤出性与流动性要求

3D打印过程中，打印材料是通过喷嘴挤压而出的，为了保证打印的连续性，这就需要打印材料有良好的流动性和可挤出性。

2.3 凝结性要求

在连续挤压打印过程中，先打印的图层不能因自重而产生严重变形，应保证在一定堆砌高度时，下层图层能较好支撑上层图层，避免发生结构变形甚至坍塌，所以打印材料的流动性也不能过大。为了保证3D打印建筑过程的连续性，混凝土的硬化时间在计算机程序的操控下，有严格的要求。

2.4 经济性要求

建筑3D打印材料在性能方面除了要满足现有标准中建筑物对承载力和耐久性的要求之外，从经济性和环保性能方面来说，它还应该满足成本低、易于就地取材、绿色环保等要求。只有这样才有利于3D打印建筑技术的推广和使用。

3 目前常用的3D打印材料

3D打印技术中，打印材料的研发是重中之重。发展3D打印建筑技术，首先要发展打印材料。建造宜居的3D打印建筑，一般都是采用巨型打印机利用逐层喷射粘性沙土或者混凝土的方法建造。然而目前3D打印建筑所采用的材料还不成熟。国内外一些学者对3D打印建筑材料展开了初步研究和开发，如：荷兰的专家曾研究应用塑料及树脂类的材料；美国学者则采用混凝土类、树脂砂浆类、粘土类作为3D打印材料；英国拉夫堡大学研究者T.T.Le.等，专注于打印所需混凝土材料的性能。

其中，水泥基材料更能满足3D打印建筑材料强度、流动性，凝结性和经济性要求。不仅有较高的早期强度，较快的凝结时间，同时具备适当的流动性及较高的可塑性。下面以四种常见的水泥基3D打印建筑材料为对象，进行简要分析[7]。

3.1 硅酸盐水泥基3D打印材料

普通硅酸盐水泥是一种水泥胶凝材料，由硅酸盐水泥熟料，5%～20%混合材料和适量的石膏制成。作为传统建筑制造中用量最大的建筑材料，硅酸盐水泥具有强度高、水化热大，抗冻性好、干缩小，耐磨性较好、抗碳化性较好、耐腐蚀性差、不耐高温的特性。其在新兴的3D打印建筑领域也是主要原料之一。但由于硅酸盐水泥凝结时间长，水化较慢等特点，会影响打印混凝土工程的连续性，因此需要在硅酸盐水泥中添加一定量的助凝剂加快其水化和凝结。

3.2 硫铝酸盐水泥基3D打印材料

硫铝酸盐具有高强度和早强的特点，养护3 d就可以达到同级硅酸盐水泥28 d的强度。克服了一般水泥水化时间长，冷凝硬化速度慢，不能满足3D打印的缺点，硫铝酸盐可以在最短的时间内以最快的速度凝固和硬化。然而，其施工成本略有增加。可以将硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥混合，以期调节其早期水化速度和早期强度，作为建筑3D打印材料使用。

3.3 磷酸盐水泥基3D打印材料

磷酸盐水泥主要分为两种:磷酸镁水泥和磷酸钙水泥。作为一种气硬性胶凝材料，它具有早期强度高、凝结时间短(1 min～10 min)、粘结强度高等优良特性，且其流动性也能满足3D打印材料的要求。通过调节磷酸盐水泥中缓凝剂的用量，可以实现打印过程中下层图层在上层图层打印前刚好凝结硬化，精准控制其凝结时间。因其具有良好的力学性能和较好的生物相容性，磷酸盐水泥在3D打印领域具有广阔的发展前景。

3.4 地聚合物水泥基3D打印材料

地聚合物是利用烧黏土(偏高岭土),Si,Al,O等硅铝质原材料经过碱激发而形成的一种新型的无机聚合材料。具有早期强度高，凝结时间快，耐久性良好等特点，但是其本身不具有通过3D打印喷嘴的流动性。研究人员为了改变它的流动性，尝试在地聚合物中加入氧化石墨烯。实验结果表明：石墨烯氧化物的加入可以明显改变地质聚合物的流变性，并保持原有的良好力学性能，更好地应用在3D打印建筑中。

4 3D打印技术的发展研究方向

处在不断发展和进步的现代社会中，人们的环保意识越来越强，对于绿色居住提出了更为严格的要求，3D打印建筑技术的出现恰好符合人们对环保的追求，这就是为什么新型3D打印建筑技术的发展会受到广泛的支持。但是，由于其发展和实际应用时间短，作为一种新型建造技术目前正处于研发试用阶段，在某些方面还需要不断研究和改进。

4.1 研发高性能3D打印材料

受到打印材料的影响，国内外现有的3D打印建筑多为中低层，无法满足高层建筑的要求。应进一步研发抗裂能力更强、抗拉强度更高和塑性更加良好的复合材料。另一方面也可以向混凝土基材中加入细骨料和纤维材料，提高其抗裂、抗拉强度和其他各项性能指标，获取高性能3D打印材料。

4.2 将BIM技术与3D打印建筑技术融合

BIM技术在传统建筑产业发挥了巨大的作用，具有广阔的应用前景。如果能够利用计算机将BIM技术与3D打印技术相结合，将有利于3D打印建筑过程的全方面管理，进一步提高生产工作效率，提高企业的竞争优势，所以寻找BIM-3D技术在建筑行业的契合点，发挥双方的优势，也是一个重要的研究方向。

4.3 提高3D打印建筑的打印精度

目前建筑业普遍都是大型工程结构的建造，3D打印建筑精度问题备受关注。应从建模、计算机数据编程、材料编制、打印材料制备、打印设备工艺参数设置以及后期处理等方面着手，提高3D打印的精度，所以需要对3D建筑打印配套设备不断改进，在满足现有建筑物的尺寸公差要求下，尽量考虑实现大型工程的建造。

5 结语

在建筑行业，3D打印技术仍处于初步阶段。虽然在各类建筑物结构形式中大规模使用3D打印建筑技术还有很多问题亟待解决，但是，3D打印建筑技术采用一种全新的设计逻辑和建造模式，将建筑形式、建筑结构和建筑材料高度整合，体现的是一种未来数字设计建筑模式下的建筑生态关系。毋庸置疑，3D打印技术会对未来建筑产业的发展产生重大而深远的影响。