3D打印技术在装配式建筑中的应用与趋势
时间：2023-07-13 10:09 来源：新材料新装饰 作者：admin 阅读：次
1 3D打印技术分类及其在装配式建筑中的应用
在美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials, ASTM）与国际标准化组织（International Organization for Standardization, ISO）在联合发布的3D打印技术标准中，3D打印分为立体光固化、材料喷射、粘结剂喷射、粉末床熔融、材料挤出、定向能量沉积和薄材叠层七种，目前应用于国内外建筑业的主要有四种，分别为粘结剂喷射、材料挤出、粉末床熔融和定向能量沉积。
材料挤出是通过喷嘴挤压材料，并将其逐层沉积。该方法由Crump发明，由于其需要将打印材料从高温喷嘴中挤出沉积，因此该技术也称为熔融沉积成型技术，并以此商业化，逐渐广泛应用于建筑业和廉价个人3D打印机。例如，Khoshnevis开发的轮廓工艺技术，Gosselin等开发的名为XtreeE的六轴机械臂打印技术和应用最广的混凝土打印技术。
粘合剂喷射与材料挤出相反，由粘合剂作为油墨，选择性地将液体粘合剂喷射到每一层材料上，以将粉末粘合在一起，将粉末材料一层一层地沉积。该技术特点是成型速度较快，可彩色打印且无需支撑，常适用于较小和精度较高的零件打印，于1997年由Pegna首次提出。
粉末床熔融是以激光和电子束为能量源，选择性地熔融金属材料粉末床的工艺。此类技术主要应用于建筑中的金属及玻璃构件的制造，有利于减少材料浪费和提高生产效率。定向能量沉积是利用热能融化材料，使其逐层沉积，主要用于打印大尺寸金属构件和修复受损金属零件。对于薄板层压工艺，Fabrisonic曾开发出一种超声波3D打印系统，并可用于建筑业金属构件制造，但由于其制造成本过高，尚未在建筑业得到成功应用。
经实践证明，在建筑业能够成功应用的3D打印技术主要为材料挤出、粘合剂喷射和粉末床熔融。表1按照时间顺序梳理了3D打印技术在装配式建筑中的应用，并分别介绍了不同技术的特点。从3D打印技术的发展路径可以得出结论：3D打印在建筑业的发展过程从非现场化走向现场化和移动化，从单一材料走向多种材料和复合材料，从打印墙体再到打印与建筑相关的塑料构件、金属构件和玻璃构件等，既有大型的龙门式打印系统，也有小型机器人和无人飞行打印系统。
2 应用场景
2.1 设计阶段
3D打印在非标准化构件上具有明显优势，生产成本低且效率高，为装配式建筑的个性化设计提供了解决方案。在传统的制造技术下，结构复杂性和其制造成本呈正相关，因此产品设计很大程度受限于制造水平，建筑的设计往往形式比较单一，而3D打印有利于推动“设计为了制造”过渡到“制造为了设计”。3D打印技术有助于建立一个包含3D打印、BIM、客户、设计师的数据共享云平台，促进客户与设计师的交流，推进供应链的信息化和数字化。3D打印与BIM结合的打印过程为：BIM—三维模型—切片—切层合并—3D打印—实物。BIM为3D打印提供了数据支持，有助于为装配式建筑的打印提供精准空间定位信息，完成高精度打印，还可以结合增强现实技术、热成像技术、激光技术等提高建筑的可视化，发达的信息网络和完整、全面的建筑工程信息库可以促进多方协作，保障建筑设计与施工，提高供应链运作效率，推动建筑业转型升级。另外，3D打印有助于实现拓扑优化，通过改变形状和结构，利用更少的材料实现更多的功能，保障建筑质量、降低建筑重量，同时通过在缝隙中填入其他材料为建筑赋能，如隔热或隔音等。
2.2 打印阶段
建筑3D打印与装配过程如图1所示，其主要适用于多层建筑。先在工厂中打印构件，在施工现场完成地基后，将构件运输到施工现场进行装配，然后局部浇筑混凝土，最后修饰外立面，这一过程与装配式建筑的施工方式相似。3D打印不仅可以打印单面墙体，也可以打印建筑外饰面和内部家具构件，最终通过装配得到成品建筑。在装配式建筑中，3D打印还可用于构件模板的打印。模板是预制混凝土构件生产的重要装置和设施，其质量直接影响构件的成型和构件的质量。目前，钢模板是构件生产企业广泛使用的一种模板，其刚度大，变形小，使用寿命长，但成本投资较大，回收利用率低。由Laing O'Rourke开发的FreeFAB蜡制模板可以通过较细小的喷嘴打印预制构件模板，这种蜡模板可以以较低的精度快速创建，随后可以通过铣削技术切割成精确的形状，在使用完成后可以加热回收该材料，并重新利用。实证研究表明，FreeFAB将整个模具制造时间缩短了6.5倍。虽然蜡制模板取材容易、成本较低，但是此类技术在工艺和材料上仍需要进一步探索和实证，其是否会像木制模板受热遇湿后变形，刚度与打印速度是否能支撑大批量混凝土构件生产，仍有待进一步研究探索。
在施工现场经常面临构件组装时产生误差较大的问题，其往往会导致构件需要现场替换甚至返厂再造。3D打印可以现场扫描并打印所需缺损部分或填充物，从而减少在制造、建造和现场修改过程中花费的时间。麻省理工学院开发了一种移动数字化建筑平台，利用快速挤出的泡沫作为模板用于现场设计，扫描和打印所需构件。3D打印同样可以现场打印特殊的套管、吊架、零件等，还可以检测需要维修的区域，并使用3D打印在损坏区域进行维修或直接打印。例如，西门子通过铣削部门表面损坏区域，然后通过3D打印新的材料层维修燃气轮机燃烧器，以使其继续运转或满足新的设计要求。
2.4 物流阶段
装配式建筑构件的生产速度较慢，往往需要提前生产构件，将生产出的构件在工厂或施工现场进行存放，以备使用，而建筑构件由于体积大，易损坏，在运输、存放、吊装的过程中需要严格保护，对于物流和存储具有较高的要求。3D打印可以灵活生产，减轻库存压力。制造商利用3D打印按需生产的能力，可以及时生产客户所需的构件，减少库存成本，还有助于供应链随时加入新的合作企业，减少备件库存的准备量和投入，将相关成本投入更新设计以反馈需求。此外，由于3D打印具有拓扑优化的能力，建筑构件重量会较轻，因此运输和存放的保护难度可能会减小。
3 3D打印技术发展趋势
3.1 非标准化建筑
混凝土打印和预制生产的成本在实证研究对比下，可以将整体的建筑成本降低25%，节约的成本主要来自于模板和人工。而在打印单面墙体时，则混凝土打印成本较高。由此可见，构件的复杂程度与3D打印的成本效益和生产率呈正比。
Krimi等[6]以法国某建筑公司为例，讨论了预制生产和混凝土打印的建造速度和盈亏平衡。实证表明混凝土打印的生产速度高于预制生产，并远高于现浇生产，这是由于3D打印可以实现高度自动化，24 h连续施工，但是限制于每天8 h施工时间，则预制生产效率高于混凝土打印，且不计算3D打印构件后续需要处理表面纹理的时间。最后结合成本计算出3D打印与传统建造方式的盈亏平衡点。3D打印的成本是恒定的，而传统方法的成本与生产数量成反比，前者适合于小批量生产和复杂构件制造，后者适合大批量生产。因此，节省时间和成本未必是应用3D打印于建筑业的优势，个性化定制、复杂结构制造和灵活生产才是关键优势。
3.2 稳定和多功能的油墨材料
Mohan等总结了目前混凝土打印的主要问题在于材料的稳固性和耐久性，需进一步探索抗拉强度和延展性较好，又同时不损失3D打印固有灵活性的材料。Anton等通过跨学科的合作和实验开发了一个用于定制柱状体构件的自动3D混凝土打印预制平台，用于生产复杂结构的柱状预制构件，能够提供稳定的固化环境，实现复杂结构的混凝土打印，目的是推动大规模构件3D打印在装配式建筑中的应用。结果表明，经混凝土打印的预制柱状构件的耐用性仍需改善。构件在室外条件下10个月便出现了裂缝，证明其暂不适合直接暴露于户外条件，耐用性低。而且，3D打印混凝土目前的几何复杂度仍然有限，需要不断改良打印系统，寻找稳定高效的油墨材料和打印速率，虽然在打印复杂结构构件上具有明显优势，但是当预制柱体较为常规时，则不具备与传统建造方式竞争的实力。
新型油墨材料可以为建筑赋能。Winsun使用回收垃圾作为油墨材料，如工业固废、建筑固废、矿山的尾渣、煤矸石等，并且其目前正在开发在油墨中加入石墨烯。石墨烯由于其在光学、力学、电学具有出色的表现，能够吸收电磁波和声波，具有良好的导热性、导电性和防水性。经过试验证明，在每升油墨中加入0.35 g石墨烯，可以减少一半对水泥的使用需求，建筑的强度、抗压、抗弯性大大提高，并且减少了由于混凝土吸热排放的大量温室气体。在每升油墨中加入0.8 g石墨烯，建筑的防水性将提高400%，耐用性也得到提高。
3.3 完善法律法规
目前，3D打印建筑企业及同类公司面临的主要问题是缺乏3D打印建筑的验收标准和规范，相关法律法规不明确。3D打印建筑使用的油墨材料和传统的混凝土相似，但在结构上具有很大区别，因此3D打印建筑的验收标准不同于传统建筑，而且需要长时间的探索和研究，使3D打印建造技术达到一个成熟与稳定的状态，这一过程需要与高校和科研机构合作。就目前情况来看，由于乡村的建筑不需要复杂的审批和验收，短期内大多数3D打印建筑应用的场景可能会在乡村。
4 结语
建筑业的数字化程度和自动化程度是最低的行业之一，虽然BIM和预制生产提高了施工效率和建筑质量，降低了工程成本并提高了施工安全性。但是模板化、批量化的生产方式导致了建筑的单一化和标准化，3D打印虽然能够实现低成本的复杂结构制造，满足个性化设计，但是其在装配式建筑中的规模应用仍在实验与研究阶段，尚未有成熟可靠的技术与工艺，材料的稳固性和耐久性仍待进一步研究和探索。本文总结了3D打印技术在装配式建筑中的发展现状和未来的发展方向，其具有可观的前景和市场，但是仍然需要进行跨学科研究，研究使用多种材料、多种工艺进行打印的方式。
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