專訪王振地 ：混凝土3D打印如何滿足消費(fèi)者新需求

來源：中國建材報


隨著人們低碳環(huán)保意識的逐漸加強(qiáng),，消費(fèi)者對個性化,、綠色化的需求越來越高,。3D打印被視為引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心技術(shù)之一，對提高制造業(yè)生產(chǎn)線的柔性化程度,，以更低成本生產(chǎn)綠色產(chǎn)品,，推動制造業(yè)生產(chǎn)方式由大規(guī)模生產(chǎn)向個性化定制轉(zhuǎn)變優(yōu)勢明顯。

然而,，在實(shí)現(xiàn)滿足消費(fèi)者新要求的過程中,，如何更好地發(fā)揮混凝土3D打印的優(yōu)勢？面臨哪些挑戰(zhàn),？下一步的發(fā)展方向是什么,？近日，帶著這些問題,，采訪了中國建筑材料科學(xué)研究總院混凝土科學(xué)與工程研究所副所長王振地,。

△混凝土3D打印雕塑《對話》 中國建筑材料科學(xué)研究總院/供圖

問：目前，混凝土3D打印在我國的發(fā)展?fàn)顩r如何,？與國外相比存在哪些差距,？

王振地：混凝土3D打印自20世紀(jì)提出以來，在過去10年取得了快速發(fā)展,，尤其是國內(nèi)的進(jìn)展非常喜人,。在學(xué)術(shù)界出現(xiàn)了一大批研究人員投身于混凝土3D打印的研究，目前國內(nèi)在混凝土3D打印材料研制,、建造性評價,、界面結(jié)合及結(jié)構(gòu)自動化配筋等方面均有突破性進(jìn)展，并實(shí)現(xiàn)了大型橋梁、房屋,、城市園林雕塑,、應(yīng)急設(shè)施的3D打印和示范應(yīng)用；在工業(yè)界涌現(xiàn)了一批新興的企業(yè),，從事混凝土3D打印的生產(chǎn)和應(yīng)用,，相關(guān)打印產(chǎn)品遠(yuǎn)銷多個國家和地區(qū)，起到了積極的示范作用,。整體上我國與國外屬于并跑狀態(tài),。最近5年我國在混凝土3D打印方向的研發(fā)投入呈幾何級數(shù)增加�,？梢灶A(yù)見,，未來5年還將繼續(xù)增加。
但我們也應(yīng)該看到差距,，國內(nèi)混凝土3D打印基本上以擠出工藝為主,，對于粉末床打印工藝和其他打印工藝的研究很少有報道，打印工藝相對單一,，沒有形成工藝上的百花齊放,。而國外在智能動態(tài)模板澆筑和粉末床打印工藝方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多項實(shí)際應(yīng)用。另外,，原創(chuàng)研究少,，跟蹤研究多，有組織,、公益性質(zhì)的系統(tǒng)研究少都是當(dāng)前存在的差距,。

記者：面對近年來消費(fèi)者提出的新需求，混凝土3D打印都取得了哪些突破性進(jìn)展,？在個性化和綠色化發(fā)展方面3D打印的優(yōu)勢是什么,？

為流浪動物制作的3D打印建筑小品《喵塢》 中國建筑材料科學(xué)研究總院/供圖

問：近年來，在認(rèn)知層面,，混凝土3D打印的神秘感正逐步褪去,，這與技術(shù)的進(jìn)步和推廣是分不開的。

在技術(shù)層面,，混凝土3D打印材料逐漸豐富,。混凝土3D打印技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,，材料是關(guān)鍵,。材料的好壞關(guān)系到可打印性，力學(xué)性能,、收縮和長期服役性能,。目前,，國內(nèi)有利用硅酸鹽水泥基打印材料、硫鋁酸鹽水泥基打印材料,、地聚合物打印材料,、石膏基打印材料等不同材料體系的成功打印案例。打印材料的多寡極大程度決定了3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍�,，F(xiàn)有的3D打印材料基本上滿足了建材和建筑領(lǐng)域的絕大部分需求,。

3D打印在標(biāo)準(zhǔn)化方面也取得了突破，行業(yè)和協(xié)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的立項數(shù)量正逐步增加,，為3D打印混凝土材料和結(jié)構(gòu)性能的評價提供了很好的基礎(chǔ),，在這一方向上我國比國外稍稍領(lǐng)先。

我國在自動化配筋領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,。不同于國外的層間橫向配筋技術(shù),，我國的科研院所、高等院校和工程局等機(jī)構(gòu)先后在層間縱向配筋方面取得突破,，實(shí)現(xiàn)了層間縱向自動配筋,，顯著增強(qiáng)了混凝土3D打印的抗拉伸和抗剪切能力。

還有很重要的一點(diǎn),，在我國出現(xiàn)了諸如房屋建筑,、橋梁、風(fēng)景園林,、市政雕塑,、應(yīng)急設(shè)施等大量的應(yīng)用示范工程,，證明了混凝土3D打印的能力和優(yōu)點(diǎn),，推動了混凝土3D打印行業(yè)的整體進(jìn)步。

隨著3D打印技術(shù)的逐漸推廣與應(yīng)用,，其優(yōu)勢也得到業(yè)內(nèi)外廣泛認(rèn)可,。3D打印也被稱為“綠色鑄造”“柔性鑄造”技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無模成型,，還具有高精度,、高細(xì)節(jié)度、綠色環(huán)保的優(yōu)勢,，已經(jīng)成為助力鑄造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要科技力量,。

問：您在混凝土3D打印領(lǐng)域從業(yè)多年，見證了行業(yè)的發(fā)展,。在這個領(lǐng)域您主要做了哪些工作,？這些工作對行業(yè)發(fā)展起到了怎樣的推動作用？

王振地：中國建筑材料科學(xué)研究總院是國內(nèi)較早開展混凝土3D打印研究工作的單位之一,。近年來,，團(tuán)隊主要在混凝土3D打印的一些基礎(chǔ)性工作方面展開了研究。一是研制了滿足建造性要求的3D打印水泥基材料，建立了混凝土可打印范圍,，給出了3D打印水泥基材料的設(shè)計和組成調(diào)控原則,，建立了基于貫入阻力的現(xiàn)場可打印性評價方法，指導(dǎo)可打印水泥基材料的組成設(shè)計,，以避免相關(guān)企事業(yè)單位開展重復(fù)研究,。

二是針對傳統(tǒng)直拉和三點(diǎn)彎曲方法評價打印混凝土界面結(jié)合強(qiáng)度評價存在的難題，提出了改進(jìn)型“十字交叉法”,，使施加的壓應(yīng)力在界面處變?yōu)槔瓚?yīng)力,，解決了3D打印混凝土界面結(jié)合強(qiáng)度評價難題，并被制定為建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，為行業(yè)的發(fā)展作出了公益性貢獻(xiàn),。

三是在國內(nèi)外率先開發(fā)出層間長程連續(xù)縱向配筋技術(shù)，經(jīng)配筋驗(yàn)證,，抗彎拉承載力獲得突破性提高,，該技術(shù)集成了訂書針式、射釘式和垂直插筋式自動配筋工藝,，有助于提高混凝土3D打印的整體性和實(shí)用性,，為混凝土3D打印自動配筋的國際難題提供了中國解決方案。

四是在國際化方面,，擔(dān)任RILEM TC-276 DFC（水泥基材料數(shù)字化制造）,，RILEM TC-ADC（3D打印混凝土材料與性能評價），RILEM TC-PFC（3D打印混凝土新拌漿體的性能要求與測試）等技術(shù)委員會委員,，及時將中國混凝土3D打印的技術(shù)進(jìn)步和重大進(jìn)展在國際上宣傳,。

五是作為特邀主編組稿出版《水泥基材料3D打印》專刊一輯,，征集了國內(nèi)外從事混凝土3D打印研究的著名學(xué)者的工作,，組稿內(nèi)容涵蓋了3D打印水泥基材料設(shè)計、可打印材料探索,、流變性與建造性,、力學(xué)性能表征與評價、應(yīng)用場景與工程應(yīng)用案例等前沿研究方向的最新研究進(jìn)展,，并深入討論了阻礙水泥基材料3D打印技術(shù)發(fā)展的科學(xué)問題和技術(shù)難題,，凝聚了國內(nèi)杰出科研工作者的心血，對行業(yè)具有很高的學(xué)術(shù)參考價值和工程指導(dǎo)意義,。

六是目前正在主編三部建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《3D打印水泥基材料術(shù)語》《3D打印水泥基材料界面結(jié)合強(qiáng)度評價方法》和《3D打印水泥基材料收縮性能試驗(yàn)方法》,。主要是當(dāng)前行業(yè)缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，限制了混凝土3D打印的應(yīng)用和發(fā)展,，這也是目前比較迫切需要解決的問題之一,，也希望更多的專家和學(xué)者能夠參與這一公益性事業(yè),，多為行業(yè)作貢獻(xiàn)。

問：您認(rèn)為,，在滿足消費(fèi)者新需求方面,，目前行業(yè)主要存在哪些亟待解決的問題？這些問題對行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了怎樣的影響,？

王振地： 目前最主要的問題是缺乏恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用場景,，應(yīng)用需求不足，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢,。一方面是混凝土3D打印的成本和技術(shù)成熟度的問題,，整體上3D打印混凝土的成本不占優(yōu)勢，且配筋技術(shù)還不夠成熟,，應(yīng)用端的需求動力不足,。另一方面，混凝土3D打印缺乏必要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),，在設(shè)計端沒有案例或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可以參考,，只能在一些非標(biāo)類的示范性工程上進(jìn)行應(yīng)用。

此外,，在技術(shù)層面,，目前自動化配筋還需要繼續(xù)進(jìn)行科研投入，沒有配筋的混凝土3D打印不符合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,，也難以讓普通大眾接受,。

問：在如何實(shí)現(xiàn)混凝土3D打印高質(zhì)量發(fā)展，有效滿足消費(fèi)者新需求方面,，您有哪些具體的建議和意見,？

王振地：一是加大國家科技層面的政策支持。金屬增材制造領(lǐng)域國家已經(jīng)有重大專項支持,，混凝土3D打印作為增材制造領(lǐng)域一個分支,，目前尚未有專項科技投入，“十三五”期間僅在其他專項內(nèi)進(jìn)行了散點(diǎn)狀的研發(fā)投入,，國家科技層面未列入專項支持。建議行業(yè)協(xié)會進(jìn)行積極呼吁,，統(tǒng)籌國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃,，國家自然科學(xué)基金委和新材料重大專項，對3D打印混凝土材料基礎(chǔ)研究,，關(guān)鍵技術(shù)集成和工程應(yīng)用進(jìn)行全鏈條設(shè)計和投入,，從國家層面推動混凝土3D打印技術(shù)的快速發(fā)展。
二是加快混凝土3D打印人才隊伍建設(shè),，積極培育原創(chuàng)核心技術(shù),。由于混凝土3D打印屬于交叉學(xué)科,，既需要懂材料學(xué)和機(jī)械自動化，又需要有良好的計算機(jī)背景,，目前這種復(fù)合型人才還比較缺乏,。在教育層面，應(yīng)在高等院校內(nèi)開設(shè)3D打印課程或?qū)�業(yè),，培養(yǎng)各類創(chuàng)新型3D打印人才,，為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的快速發(fā)展提供基本人才保障；在科技層面,，應(yīng)加快培育一批高素質(zhì)科技創(chuàng)新團(tuán)隊,，形成支撐我國混凝土3D打印領(lǐng)域發(fā)展的中堅力量，滿足當(dāng)前和未來一段時間我國混凝土3D打印行業(yè)的發(fā)展需求,。

三是逐步完善混凝土3D打印的標(biāo)準(zhǔn)評價體系,。加快標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，滿足設(shè)計,、施工,、驗(yàn)收、實(shí)驗(yàn)室測試和評價等不同階段對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的需求,，掃除混凝土3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙,，以促進(jìn)我國混凝土3D打印技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步。四是積極引導(dǎo)混凝土3D打印的應(yīng)用端需求,，從應(yīng)用需求端推動發(fā)展,。著手規(guī)劃混凝土3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，重視3D打印的技術(shù)研發(fā)和基礎(chǔ)研究工作,，支持引導(dǎo)配套性的混凝土3D打印應(yīng)用需求,，給予政策和稅收優(yōu)惠，鼓勵大型企業(yè)和施工單位成為拉動混凝土3D打印技術(shù)發(fā)展的主體,，從應(yīng)用端創(chuàng)造有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益的實(shí)際需求,，可以大幅度提升混凝土3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。