适用于3D打印的建筑材料探析论文

时间：2024-10-15 20:25:47 材料毕业论文我要投稿

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适用于3D打印的建筑材料探析论文

　　引言

适用于3D打印的建筑材料探析论文

　　在上世纪 80 年代，美国人发明了让人叹为观止的 3D打印技术。随着该技术在全球范围的推广，许多国家都凭借这项技术创造出巨大的经济效益。3D 打印技术被认为是“第三次工业革命”的技术代表，到目前为止，该技术在众多领域的应用均较为广泛，然而在建筑领域确是崭露头角，究其原因，发现最主要的原因是目前适用于当前技术的建筑材料种类太少，而材料又是决定 3D 打印技术发展的基础，因此，如何突破材料对 3D 打印技术制约的瓶颈，以推动 3D 打印材料发展显得至关重要。

　　本文在查阅大量文献的基础上，分别从 3D 打印技术的概念、建筑材料的选用等方面进行介绍，以 3D 打印技术为出发点，介绍 3D 打印在建筑材料领域的发展现状，并结合对 3D 打印建筑材料的认识与存在的问题，展望 3D打印技术在建筑材料领域未来的前景与研究趋势。

　　1 3D 打印技术简介（3D printing technology）

　　3D 打印技术不同于传统的打印技术，在该技术中往往以数字模型文件作为它的基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过喷嘴将材料挤出，经过逐层打印的方式来构造物体。之所以称其为 3D 打印，是因为其参照了打印机的技术原理，加工过程与传统的喷墨打印十分相似。与传统打印不同的是，传统打印机用打印油墨实现打印，而 3D 打印用的是真正的各种原材料。

　　3D 打印最早于 20 世纪 90 年代中期出现，但由于技术和成本的影响，这一技术并没有取得长足的进步和发展。随着科技水平的不断提高，时代变迁和发展，边缘技术的完善，3D 技术取得了明显的进步，从新世纪伊始，我国3D 打印的专利数量快速增长，表明我国的 3D 打印技术正处于极具前景的快速发展时期。目前，我国的 3D 打印技术虽然学术水平较高，但存在应用较少的问题，原材料的制约是限制 3D 打印产业化发展的一重要原因。

　　2 适用于 3D 打印的建筑材料（Building materialsfor 3D printing）

　　建筑业发展至今，所应用到的建筑材料有成千上万种，但是适用于 3D 打印技术的建筑材料却屈指可数。目前 3D 打印建筑所采用的材料还不成熟，结合国内外现状，荷兰通过实验研究发现，塑料和树脂类材料可以应用于 3D 打印机上；美国则在选用 3D 打印材料上，将目光投向了树脂砂浆类，粘土类和混凝土类等材料，通过一定的技术处理也成功的应用在了 3D 打印机上[1].我国最典型的应用是在上海，选择建筑废料作为材料，通过一系列技术加工，粉碎磨细，加纤维、水泥及有机粘合剂等，做成“油墨”,从而应用于 3D 打印机上。

　　2.1 GRG 材料

　　所谓 GRG 材料[2],这里指的是通过采用 GRG 专用石膏，也就是人们常说的超细结晶石膏为基料，将具有专用连续刚性的增强玻璃纤维和它混合制成的产品材料，这种材料目前主要专注于制作异形产品。具有不变形、质量轻、强度高、会呼吸、防火、环保、声学效果好、加工周期短等特点。一般应用于剧院、报告厅、会展中心、体育场等工程项目，上海世博中心 2600 人大会堂就是通过这种 GRG 产品建造的。

　　2.2 混凝土类材料

　　通过将国内外现状作对比，发现混凝土类材料无论是在传统建筑生产还是新型 3D 技术领域里，都是主要使用材料之一。由于混凝土类材料具有较高的可塑性，在打印过程中无需支模，其工作过程是在电脑控制下将配置好的混凝土通过喷头挤出进行打印得到混凝土构件。目前，混凝土类材料结合“轮廓工艺”,在 3D 打印建筑领域得到较多的应用。

　　此外，随着材料科学和现代电子信息技术的迅速发展，3D 打印建筑材料的智能化开发也成为业界关注的焦点。这种材料融入了信息科学的内容，把感知、寻优和控制驱动等技术进行融合渗透，使得 3D 打印技术在建筑领域做到材料结构与智能一体化，同时具备多种完善的仿生功能，从而使打印建筑物达到适应环境、调节环境、材料和结构健康状况的自诊断和自修复等智能化。

　　3 实例应用（Case application）

　　3D 打印技术自 20 世纪 90 年代出现以来，已在各领域得到迅速发展。在建筑领域，结合相关的建筑材料，国内外也出现了很多比较典型的实例。

　　在国外，美国加州大学教授比赫洛克·霍什内维斯提出的“轮廓工艺”可以在不到 20 小时的时间内建造一栋面积 2500 平方英尺的建筑。轮廓工艺的特点在于它不需要使用模具，打印机打印出来的建筑物轮廓将成为建筑物的一部分，研发者认为这样将会大大提升建筑效率。美国明尼苏达洲一个名叫 Andrey Rudenko 的承包商用 3D 打印机打印出了一座城堡。由于建筑面积比较大，设计人员在打印时对建筑进行分割，分成各个部分逐一进行打印，然后组装成型。意大利发明家恩里克·迪尼发明了 D 型工艺打印机[3],其底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体，通过一层层黏合物和砂子的结合，最终形成石质建筑物。目前，已成功建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑结构。在国内，上海盈创建筑科技有限公司自主研发了 3D打印设备、打印油墨和连续打印技术，利用建筑物废料加上水泥、纤维、有机黏合剂等制作的“油墨”进行逐层喷射、循环打印、快速凝固成型，从而打印房屋。盈创公司开发使用的这台 3D 打印机，打印出坚固的预制件结构可以用作搭建小型建筑。用于打印结构件的材料将工业废料、建筑残渣以及高标号的水泥进行了混合，并用玻璃纤维进行了加固。之前打印出的房屋结构件，运到现场后，由工人现场安装，对于窗户和管路等部分，软件会预留相应位置，建筑安装到位后可以加装这些部分。2014 年 3 月盈创公司运用该技术在上海青浦打印出了 10 栋 200 平的实体房屋，该批建筑所用材料来自于建筑废料，全过程由计算机操作，大大降低了建筑成本。2015 年 1 月苏州工业园区亮相了一栋由 3D 打印机打印完成的 1100 平米的别墅和一栋由 3D 打印机打印完成的 6 层居民楼，其墙体均由大型 3D打印机层层叠加喷绘而成。尤其需要指出的是，打印出的6 层居住楼采用了 3D 打印配筋砌体剪力墙结构这种创新的结构体系，是 3D 打印建筑领域的一次突破。

　　4 存在问题（Existing problems）

　　4.1 材料结构性能仍待加强

　　打印过程中打印材料需要通过输送管道并经打印头的打印才能成型，因此打印材料应具有良好的和易性。在打印过程中上层材料的堆积会对下层材料形成压力，如果下层材料在短时间内没有形成足够的强度，就会在压力作用下变形，所以打印材料还应具有较快的初凝时间和较高的初凝强度。

　　4.2 材料的凝固硬化

　　材料的凝固硬化速度是打印建筑中一个不可避免的问题。材料的凝固硬化速度一般受温度的影响。在春夏秋季，如果温度在 14~28℃的范围内，那么不需要特殊处理就能正常固化。若温度较低，介于 5~14℃，则需要采用加速固化配比的方式保证材料的凝固硬化；若温度较高，介于 28~38℃的范围内，则需要延缓材料的凝固硬化时间以达到正常工艺的要求[4];若在北方严寒天气，或冬季施工，在零下的温度下时，材料的使用则需要配备严谨的凝固硬化方案以达到施工的质量要求。

　　4.3 建筑的表面粗糙

　　3D 打印技术类似于挤牙膏，采用的是逐层堆叠。第一层打印完成后，必须等第一层打印材料凝固硬化后再进行上一层打印，通过层与层之间的紧密粘结来保持墙体的整体性。正是因为这种特殊的打印技术，导致层与层之间不够光滑，表面粗糙，并且条纹样式也很简单乏味，不够美观。

　　4.4 行业内缺少相关规范

　　3D 打印技术理念的提出在上个世纪，并在本世纪得以实现加速发展。虽然时间上看，从技术的理念提出到发展经历了很长时间，但应用于建筑领域的时间还很短，目前的建筑行业并没有任何相关的规范，使用年限和房屋产权是否会和普通建筑产品一样，这还待有关权威部门的进一步认可。

　　5 结论与展望（Conclusion and Prospect）

　　3D 打印技术在建筑领域正属于起步发展的阶段，3D打印建筑和传统建筑方式相比，无论是在人力物力还是进度等方面都有很明显的优势，目前主要限制 3D 打印技术在建筑业的发展的因素，除了技术自身的问题外，最主要的就是能应用于 3D 打印技术的建筑材料种类还是不够复杂，而且具体的材料的强度、硬度、性能等问题也需要经过时间和实践的检验，才能得出相关的结论。现阶段，为了发展 3D 打印技术在建筑方面的应用，能做的除了改善打印机的相关技术外，还可以通过试验去挖掘建筑新材料，或者是在原有传统材料的基础上，通过添加一些其他材料，使它具备能在 3D 打印机上工作的特性。作为建筑领域的新兴技术，我们有理由也有信心相信，随着建筑材料的发展，3D 打印技术在建筑领域的应用会越来越好，为人类及社会也会做出很大的贡献。

　　参考文献：

　　[1]葛杰，马荣全，苗冬梅，白洁。3D 打印建筑技术在绿色建筑领域中的应用[C].第十一届国际绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会论文集，2014:1-4.

　　[2]陈庆祥。3D 打印建筑发展现状与前景[J].建筑，2015:79-81.

　　[3]王子明，刘玮。3D 打印技术及其在建筑领域的应用[J].混凝土世界，2015:50-57.

　　[4]李志国，陈颖简，凡捷。3D 打印建筑材料相关概念辨析[J].天津建设科技，2014:8-12.

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