【解析】3D打印技術在建筑模型制作中的應用研究

作者：王韋
隨著科技水平的不斷發(fā)展和進步，一種新型的計算機圖形分析和數據化控制制造技術——3D打印技術應運而生,，它是近年來發(fā)展起來的一種新興技術,，已在機械、制造,、醫(yī)療等行業(yè)有所發(fā)展,，而在建筑行業(yè)的應用更是有著廣泛的作用，為建筑師設計和建造動態(tài),、復雜的形式提供了強大的技術手段,，對建筑 業(yè)設計產生顛覆性影響。本文結合3D打印技術的國內外研究現狀及發(fā)展趨勢,、在建筑設計模型應用中的優(yōu)劣勢,，以及如何應用等問題展開研究討論，以其促進3D打印技術在建筑設計模型方面的真正實踐和運用,。

3D打印即快速形成技術的一種,，它是一種以數字模型文件為基礎的，可以運用多種材料,，例如粉末狀金屬或者塑料或者水泥等可粘合材料,，利用通層打印方法來構造物體的技術,。


1986年，美國加州的工程師查克•赫爾研制出第一臺3D打印機,，3D打印帶來許多行業(yè)的革命性改變,，并影響到建筑業(yè)。在以前生產的部件,，其精度取決于生產設備是否先進,、以及現在生產工藝能夠實現。3D打印機將改變這一觀點,，使企業(yè)不在依賴生產設備,、工藝的水平，任何精度的零件,、形狀都可以通過3D打印機來實現,。

一、3D打印技術的簡介和應用
從30年前研究3D打印技術以來,，科技水平的不斷提高,，邊緣技術的完善，時代變遷和發(fā)展,，這項技術也越來越受到關注,，那么究竟什么是3D打印技術呢？3D打印技術是將CAD,、CAM,、CNC、精密伺服驅動,、光電子和新材料等先進技術集于一體,，依據由CAD、PRO/E等軟件構造的產品三維模型對其進行分層切片,，得到各層截面的輪廓,。按照這些輪廓，激光束選擇性地噴射,，固化一層層液態(tài)樹脂（或金屬粉末）或噴射源選擇性地噴涂一層層的粘結劑或熱熔材料等,，形成各面，逐步疊加成三維實體,，它將一個復雜的三維加工簡化成一系列二維加工的組合,。它也被稱為增材制造技術。是美國第三次工業(yè)技術革命的產物,，是一種制造技術,。傳統(tǒng)的制造技術需要將制造材料放在固定的容器中進行澆筑，然后生產產品,。而3D打印則是以數字模型文件為基礎運用塑料,、金屬等粉末狀的可粘合材料,，經過逐層打印構造而成。

一般分為三步來進行：其一是要有設計好的模型,，在計算機相應的位置輸入設計數據,。其二是運用計算機對設計的3D數據模型進行掃描和識別，在指令的操作之下,，形成許多個單層圖像,。最后一步是根據第二步中出現的多個單層圖像,，按照指令將每一層的材料疊加上去,，形成立體和現實的物品。運用3D打印技術進行建筑模型設計時不僅可以減少制造的時間,，同時也能降低成本,，無論其需要涉及的構造是否復雜，3D打印的設計都可以較快的設計出來,。由此可見,，3D打印技術具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br />         3D打印技術的應用范圍非常廣泛。建筑設計,、產品設計,、機械制造、模具制造等都有普遍的應用,，并且取得了較好的效果,。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，它將在更多方面發(fā)揮著重要的作用,。3D打印技術現在比較重要的應用領域是產品設計和建筑設計,，產品設計方面，3D打印技術提供了一種新的產品開發(fā)模式,。在建筑設計領域的應用,，3D打印技術主要是運用在大型建筑的主體設計層面，通過這項技術幫助設計出建筑師最初的想法,，完美的還原建筑,。通過3D打印技術設計的建筑模型不僅逼真，而且有利于成本的降低,，節(jié)省人力和物力,。

二、3D打印在建筑設計模型應用中的優(yōu)劣勢
1,、打印復雜結構的模型
在3D打印技術可以打印食品,、玩具、汽車的今天,，它還在創(chuàng)造無限的可能,。 首先3D打印技術可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件,。過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉,，或者采用模具,，把金屬和塑料融化灌進去得到這樣的零件，這樣對復雜的零部件來說加工起來非常困難,。而3D打印技術可以打印非常復雜的零件,。

2、3D打印建筑節(jié)約時間
時間就是金錢,，效率就是生命,，科技的進步正是提高效率的有效方法，3D打印技術進行建筑設計模型的應用時,，可以直接將建筑模型進行多種層面的操作,，元素自動生成，無需在進行浪費時間的復制工作,，這樣可以使設計團隊的成員直接進行意念上的合作與對接,。建筑的精髓在于設計，那么施工如果能做到完美,。一棟幾十層高的樓,，普通施工，大概需要半年至一年才能施工完畢,。而當前3D打印機可在24小時內打印10棟200平方米的建筑,。

3、3D打印建筑材料強度高
3D打印建筑的墻體與傳統(tǒng)建筑的墻體具有很大的不同,，3D打印的噴口按照螺紋結構依次打印,，最后呈“Z” 字形排列，一層一層的疊加,，形成墻體,，因此墻體結構是中空的。3D打印出的建筑材料強度高,、質量輕,，比起傳統(tǒng)建筑材料要有很大的優(yōu)勢，因其中空的“Z” 字形結構,，產生一種三角形的穩(wěn)定支撐,，從而抗震效果也會更好。

4,、3D打印建筑更加環(huán)保,，綠色
相比于傳統(tǒng)制造業(yè)的浪費資源，破壞環(huán)境，新興的3D打印技術可以完全避免這些問題,，因為這種技術是直接按照電腦的設計進行打印操作的,，3D打印的材料來自于建筑垃圾、工業(yè)垃圾等,，廢物利用,，通過一些技術手段進行加工分離，產生了類似與普通打印機的“油墨”,過程中因為沒有沙子,、石子,、水泥等材料的運輸，從而不會產生揚塵,，污染環(huán)境,。并且不需要切割，一次成型,。


除了上述的優(yōu)點之外,，3D打印建筑模型也存在著一些不足和需要改進之處,，主要有以下幾個方面：

1、3D打印技術不夠成熟
據統(tǒng)計,，3D打印機生產的產品中80%依舊是產品原型,，僅有20%是最終產品。自3D打印機技術在80年代產生以來,，經過數十年的發(fā)展,，在21世紀初已取得不小的進步，比如材料增多,、打印機和原材料價格逐漸下降,，但是目前來看，這依舊是一項年輕的技術,，在沒有變得更加成熟和廉價前,，并不會被企業(yè)大規(guī)模采用。

2,、3D打印技術沒有行業(yè)標準
目前3D打印建筑仍處在研究探索階段,，。但是在建筑行業(yè)需要一個標準,，通過這個標準才能全面的推廣起來,。例如根據現行的標準，沒有鋼筋就不能驗收,，但3D打印建筑可以不需要鋼筋,，因此行業(yè)標準很重要。


3、3D打印材料選擇問題
3D打印在建筑新材料是一種建筑工藝上的開拓,，不過3D打印房屋要想真正普及,，恐怕還需斟酌。比如3D打印的“油墨”主要是由建筑廢料做材料,，高標號水泥和玻璃纖維等構成,。而據了解，某些國家禁止建筑大量使用玻璃纖維,，因為玻璃纖維對人體的呼吸系統(tǒng)有影響,。所以，材料也需要慎重選擇,。3D打印建筑材料需要有流動性,，同時還需要考慮到溫度因素，若流動性大,，則打印過程中材料無法堆疊,，流動性小，則容易堵塞打印頭,。


4,、3D打印機的精度問題
3D打印技術類似于擠牙膏，采用的是逐層堆疊,。第一層打印完成后,，必須等第一層打印材料凝固硬化后再進行上一層打印，通過層與層之間的緊密粘結來保持墻體的整體性,。精度越高則厚度越薄,，精度不夠導致層與層之間不夠光滑，表面粗糙,，并且條紋樣式也很單一,。


三、 發(fā)展與展望
3D打印建筑技術會對環(huán)保,、建筑業(yè),、混凝土等行業(yè)帶來改變。現行我國的水泥行業(yè)還是粗獷性發(fā)展,，浪費資源污染環(huán)境,，勢必進行改變，走可持續(xù)發(fā)展道路,。3D打印建筑技術不僅可以更有效地利用混凝土材料,，以及其他一些廢料，精細化生產,，而且更能夠大幅度提高建筑物結構強度,，此舉無疑又大大減少了建筑垃圾的產生,，不浪費，不污染環(huán)境,。因此,，研究探討出符合需求的新時期商品混凝土是十分必要的。

      

首先,，商品混凝土的原材料將會變得更加廣泛,，材料最核心的要求是上一層打出來以后，下一層不能變形,，不能坍塌,， 比如膠凝材料可能采用特種水泥、樹脂,、鎂質膠凝材料等,，以滿足3D打印的需要，并且還有可能會生產出新的完全不同于現在的材料,；外加劑也可能會從根本上發(fā)生改變,，因為不能以現在的混凝土標準來衡量。
        
其次,，在配合比設計方面,，可能還需要有新的理論來支持。因為3D打印所需要的混凝土已經不同于傳統(tǒng)的混凝土,，混凝土各項性能發(fā)生了巨大變化,，不是簡單的水灰比,、砂率等所能決定的了,，其硬化、收縮性能發(fā)生根本性改變,，目前的混凝土強度理論,、耐久性能理論、水化作用理論等均不能適應要求,。為獲得更高的強度,，更好的耐久性，更完美的拌合物性能,，更快的硬化速度和性能,，需要從新的角度去發(fā)現理論，新的配合比設計方法,，建立新的計算模型,，以及硬化理論模型、服役壽命預測模型等,。
        
可以預見在今后很長一段時間內3D打印仍然將被人們廣泛關注,。由于看好3D打印技術所表現出來的廣闊的應用前景，許多國家紛紛出臺本國的3D打印發(fā)展規(guī)劃，布局3D打印產業(yè),。3D打印技術在建筑領域的應用研究剛剛開始,，還存在許多亟待解決的問題，比如適合3D打印的建筑材料的研究,，是仍然使用混凝土還是開發(fā)其他種類的建筑材料,，如果使用混凝土，混凝土的工作性能,、耐久性能則需要進行專門的設計和評估,。3D打印建筑還有很長的路要走，但是毋庸置疑的是,，3D打印建筑一定會成為未來世界的新標桿,。