3D打印建筑發(fā)展動(dòng)態(tài)分析報(bào)告（上）

3D打印技術(shù),，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的重要制造技術(shù)，正隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐漸深入到汽車(chē)工業(yè),、機(jī)械制造,、生物醫(yī)療、食品,、教育,、建筑、航天航空等工業(yè)領(lǐng)域,。隨著人口的不斷增加,，住房,、工業(yè)等建筑的需求也不斷的增大,。但隨著社會(huì)老齡化的不斷加劇、勞動(dòng)力的喪失,，傳統(tǒng)的施工工藝已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求,，使得住房問(wèn)題也是迫在眉睫。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展,，特別是3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的成功應(yīng)用,，為解決住房問(wèn)題提供新的發(fā)展思路。

與傳統(tǒng)的建造工藝相比較,，3D打印建筑技術(shù)具有施工速度快,、工期短、施工成本低,、材料利用率高,、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)�,？梢哉f(shuō),，3D打印技術(shù)在建筑業(yè)中應(yīng)用是一次巨大的改革創(chuàng)新,，它所引領(lǐng)的產(chǎn)業(yè)變革有望成為建筑業(yè)未來(lái)的方向。因此,，3D打印建筑將有著廣闊的發(fā)展前景,。
通過(guò)了解國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)和3D打印建筑發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展方向,，填補(bǔ)集團(tuán)在3D打印建筑相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的空白,。

報(bào)告內(nèi)容
第一部分：3D打印技術(shù)的發(fā)展及意義
1.1 3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程
1）3D打印技術(shù)的起源
3D打印技術(shù)最原始的思想在19世紀(jì)起源于美國(guó)，但是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)并不發(fā)達(dá),，一直到20世紀(jì)80年代的時(shí)候才有了進(jìn)一步的發(fā)展,。
1983年，查爾斯·赫爾發(fā)明了液態(tài)樹(shù)脂固化（或光固化)3d打印技術(shù),，并在第二年獲得了美國(guó)專(zhuān)利,。

在20世紀(jì)80年代的中期，在美國(guó)的德州大學(xué)奧斯汀分校的Karl Deckard博士開(kāi)發(fā)了SLS（選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）并且獲得了專(zhuān)利,。
1986年,，查爾斯·赫爾開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)，有史以來(lái)第一件結(jié)合電腦繪圖,、固態(tài)激光與樹(shù)脂固化技術(shù)的3D打印技術(shù)之專(zhuān)利證書(shū),。在此之后，3D打印技術(shù)才算是真正的面向了世界,。

2）3D打印技術(shù)的發(fā)展
在1983年后,，3D打印技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)較快的發(fā)展階段。通過(guò)表1的表中,，我們可以直觀(guān)的看出3D打印技術(shù)在一步步成熟起來(lái),。

表1 3D打印技術(shù)發(fā)展歷程

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快,，越來(lái)越貼近于生活,，我們完全有理由可以相信3D打印機(jī)技術(shù)的發(fā)展會(huì)改變我們對(duì)世界的認(rèn)知。

1.2 3D打印技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外方面,，經(jīng)過(guò)30多年的探索和發(fā)展讓3D打印技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,。
目前在全球3D打印機(jī)行業(yè)中，美國(guó)的3D Systems和Stratasys兩家公司占據(jù)了絕大部分的市場(chǎng),。除了以上兩家公司外,，國(guó)外在3D打印這個(gè)領(lǐng)域擁有比較強(qiáng)技術(shù)實(shí)力或者比較有特色的企業(yè)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)中，還有美國(guó)的Fab Home和Shapeways,、英國(guó)的Reprap等,。

在快速成型設(shè)備上，3D Systems公司是全球最大的開(kāi)發(fā)公司,。自從在2011年11月收購(gòu)了3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專(zhuān)利擁有者Z Corporation公司后,，它就奠定了3D打印技術(shù)領(lǐng)域上的龍頭地位,。Solidscape也不甘示弱，先是在2010年和傳統(tǒng)傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司簽訂了OEM（即代工生產(chǎn)）合作協(xié)議,，生產(chǎn)HP品牌的3D打印機(jī),。在2012年4月更是和以色列著名3D打印系統(tǒng)提供商O(píng)bjet宣布合并。目前,，國(guó)際上的3D打印機(jī)制造業(yè)正在處于迅速的兼并與整合過(guò)程中,，而行業(yè)的巨頭也是在加速崛起。

在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家,，成功的3D打印商用模式已經(jīng)初步形成,。在消費(fèi)電子業(yè)、航空業(yè)和汽車(chē)制造業(yè)等領(lǐng)域,。3D打印技術(shù)可以憑借著自身的優(yōu)勢(shì),，以比較低廉的成本，較高的生產(chǎn)效率來(lái)生產(chǎn)小批量的定制部件,，完成一些復(fù)雜而精細(xì)的造型,。 與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)3D打印的發(fā)展相對(duì)來(lái)說(shuō)比較晚,，在技術(shù)上和市場(chǎng)上與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距,。

從20世紀(jì)90年代至今，國(guó)內(nèi)的眾多高校和企業(yè)開(kāi)始自主研發(fā)3D打印技術(shù),。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論,、分層實(shí)體制造、FDM工藝等方面具有著科研優(yōu)勢(shì)：華中科技大學(xué)而在層實(shí)體制造工藝方面更具優(yōu)勢(shì),，并且已經(jīng)推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料,；西安交通大學(xué)首先自主研制了三維打印機(jī)噴頭，并開(kāi)發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料,，成型精度達(dá)到0.2mm,；在微制造、光電器件等領(lǐng)域,，中國(guó)科技大學(xué)自行研制的八噴頭組合噴射裝置可以的得到應(yīng)用。雖然眾多高校都在自主研發(fā)3D打印技術(shù),，但總體而言,，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國(guó)外相比還有較大差距。

此外,，國(guó)內(nèi)的眾多企業(yè)也紛紛投入到對(duì)3D打印技術(shù)研究當(dāng)中,，并實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷(xiāo)售，如深圳維示泰克,、南京紫金立德,、北京殷華,、江蘇敦超等企業(yè)。這些企業(yè)有一個(gè)共同的特點(diǎn)由海外歸國(guó)團(tuán)隊(duì)建立,，規(guī)模比較小,，和國(guó)外的廠(chǎng)商相比，同類(lèi)產(chǎn)比還處于低端,。目前,，國(guó)產(chǎn)的3D打印機(jī)在打印精度、打印速度,、打印尺寸和軟件支持等方面的商用還難以滿(mǎn)足需求,，技術(shù)水平還有待進(jìn)步提高。和內(nèi)地相比較,，港臺(tái)地區(qū)的3D打印技術(shù)引入起步比較早,，應(yīng)用的更加廣泛。

1.3 發(fā)展3D打印技術(shù)的意義
英國(guó)的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志發(fā)表的《第三次工業(yè)革命》里面,，把3D打印技術(shù)稱(chēng)為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一,，這一觀(guān)點(diǎn)，引發(fā)了世人對(duì)3D打印的關(guān)注,。作為新生事物,，發(fā)展3D打印的意義何在？

第一,，制造工藝的深刻變革,。3d打印的特點(diǎn)在于通過(guò)逐層堆積材料進(jìn)行加工，而不是通過(guò)去除多余材料進(jìn)行加工,。因此,，這項(xiàng)工藝也被稱(chēng)作“堆積制造”或“添加制造”。這改變了通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行切削,、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的加工模式,，節(jié)省了材料和加工時(shí)間，帶來(lái)了制造工藝的深刻變革,。
第二,，制造技術(shù)的重大飛躍。3d打印技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù),，綜合應(yīng)用了cad/cam技術(shù),、激光技術(shù)、光化學(xué)以及材料科學(xué)等諸多方面的技術(shù)和知識(shí),，3d打印技術(shù)的不斷成熟將推動(dòng)包括新材料技術(shù),、智能制造技術(shù)和堆積制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)大的飛躍。
第三,，制造模式的一次“革命”,。3d打印作為一種新的加工工藝,，將改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的以裝配生產(chǎn)線(xiàn)為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個(gè)性化,、定制化轉(zhuǎn)變,，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的根本變革。3d打印機(jī)的推廣應(yīng)用將減少產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間,，產(chǎn)品用戶(hù)只要簡(jiǎn)單下載設(shè)計(jì)圖在數(shù)小時(shí)內(nèi)通過(guò)3d打印機(jī)將產(chǎn)品“打印”出來(lái),，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線(xiàn)，不需要庫(kù)存大量的零部件,，不需要大量的工人,。

第二部分：3D打印建筑的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 3D打印建筑的概念
3D打印建筑技術(shù)是利用工業(yè)機(jī)器人逐層重復(fù)鋪設(shè)材料層構(gòu)建自由形式的建筑結(jié)構(gòu)的新興技術(shù)，這種工藝原理叫做增材制造,，通過(guò)逐層累積最終形成一個(gè)成品,。其構(gòu)成和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制組件,、機(jī)械組件,、打印頭、耗材和介質(zhì)等架構(gòu)組成的,。根據(jù)電腦上設(shè)計(jì)的完整的三維模型數(shù)據(jù),，通過(guò)一個(gè)運(yùn)行程序?qū)⒉牧戏謱哟蛴≥敵霾⒅饘盈B加，最終將計(jì)算機(jī)上的三維模型變?yōu)榻ㄖ��?shí)物,。一個(gè)房子或者一群房子,，即使每幢建筑形態(tài)各異，都可以通過(guò)一個(gè)運(yùn)行程序來(lái)自動(dòng)構(gòu)建,。

2.1 3D打印建筑的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
從1986年Charles Hull獨(dú)創(chuàng)了將數(shù)字資源轉(zhuǎn)換成實(shí)體模型的技術(shù)到現(xiàn)在的3D打印技能運(yùn)用到模具與模型制作,、航天航空、食品產(chǎn)業(yè),、生物醫(yī)療,、建筑工程、教育教學(xué)以及手勢(shì)和日常用品的個(gè)性化定制等各個(gè)領(lǐng)域,，3D打印技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一個(gè)持久且艱苦的成長(zhǎng)道路,。與其他應(yīng)用領(lǐng)域相比，新興領(lǐng)域3D打印建筑才剛起步,，目前仍停留在打印樣板房的階段,，距大規(guī)模量產(chǎn)尚有距離。但其憑借著省人力,、成本低、速度快,、環(huán)保綠色的優(yōu)勢(shì),，未來(lái)勢(shì)必掀起工程建筑領(lǐng)域的革命,，其潛在的發(fā)展前景已獲得業(yè)內(nèi)認(rèn)可。

從2013年開(kāi)始,，3D打印建筑在全球悄然興起,，世界各國(guó)都掀起了3D打印房屋的熱潮。2013年1月,，荷蘭阿姆斯特丹建筑大學(xué)的建筑設(shè)計(jì)師Janjaap Ruijssenaars設(shè)計(jì)了全球第一座3D打印建筑物“LandscapeHouse”,，并且?guī)е�這個(gè)項(xiàng)目參加了Europan競(jìng)賽。

圖2-1 Landscape House

2013年8月,，美國(guó)加州奧克蘭的設(shè)計(jì)工作室完成了世界上第一個(gè)3D打印建筑組件,，該建筑的長(zhǎng)寬均為10英尺(約3米)，高8英尺(約2.44米),。該建筑由585個(gè)聯(lián)鎖組件構(gòu)成,，共耗時(shí)10800個(gè)小時(shí)進(jìn)行3D打印，最后拼裝花費(fèi)了4天,。所有組件都采用聚乳酸這種生物塑料制成,，可以隨著時(shí)間分解，制造出無(wú)數(shù)個(gè)微型棲息地,。

圖2-2世界上第一個(gè)3D打印建筑組件

2014年,，荷蘭阿姆斯特丹在一條運(yùn)河旁建造一座3D打印房屋，由荷蘭DUS建筑師事務(wù)所設(shè)計(jì),，共有13個(gè)房間,。該建筑的最終形態(tài)將類(lèi)似傳統(tǒng)的荷蘭運(yùn)河房屋，因此將其命名為“運(yùn)河屋”(Canal House),。先由約3.5米高的特大型3D打印機(jī)逐層打印熔塑層,，凝固后形成塑料塊，最后由工人搭建完成,。目前,，“運(yùn)河屋”已經(jīng)在阿姆斯特丹北部地區(qū)動(dòng)工，預(yù)計(jì)2017年竣工,。

圖2-3阿姆斯特丹“運(yùn)河屋”

2016年,，德國(guó)Dresden工業(yè)大學(xué)憑借其極具應(yīng)用前景的混凝土3D打印技術(shù)ConPrint3D獲得了2016德國(guó)工程機(jī)械展的創(chuàng)新獎(jiǎng)。運(yùn)用該技術(shù)建造一棟普通民居僅需10小時(shí),，而傳統(tǒng)施工方法需要6天,。
2017年，舊金山Apis Cor房屋建筑初創(chuàng)公司與俄羅斯房屋建筑公司PIK Group合作修建了一座房屋,，只用了一天的時(shí)間和10134美元的建筑材料,。其秘訣就是一臺(tái)3D打印機(jī)器人。

圖2-4 Apis Cor建造的3D打印建筑

2017年3月，基礎(chǔ)建設(shè)技術(shù)公司－Cazza宣布將在迪拜建造世界上第一幢3D打印的摩天大樓,。而在此前,，迪拜在3D打印建筑領(lǐng)域已經(jīng)先后打印了未來(lái)博物館、辦公樓等一系列建筑,。

2017年5月,，烏克蘭的創(chuàng)業(yè)公司PassivDom也開(kāi)發(fā)出一種3D打印的智能房屋。小屋基于模塊化原則,，可以允許許多單元組裝在一起,，以建造一個(gè)更大的建筑。這款3D打印小屋可以在任何環(huán)境中建造,，讓用戶(hù)可以隨心所欲地住在大自然中,，過(guò)上可持續(xù)發(fā)展和零碳排放的生活。

圖2-5 PassivDom建造的3D打印建筑

未完待續(xù)

作者： 邱國(guó)鋒
來(lái)源：中天施工技術(shù)