【3D打印高端演講】楊繼全：3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

【導(dǎo)讀】 6月下旬，世界3d打印大會在青島舉行。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場進行了大量的報道，詳情請看南極熊報道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南極熊作為一個3d打印的專業(yè)媒體平臺，一直致力于推動中國3D打印行業(yè)的發(fā)展。希望下面的一些內(nèi)容對大家有所啟發(fā)。


楊繼全：非常抱歉，隔壁有一個節(jié)目錄制，讓各位久等了。我首先介紹一下我們這個團隊所做的一些事情。我們這個團隊包括一個大學，我是在南京師范大學做一些基礎(chǔ)性研究和基礎(chǔ)性開發(fā)的，我們有一個江蘇省的三維打印重點實驗室，這個是面向3D打印產(chǎn)業(yè)做關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的。我們還有兩個公司、兩個工廠，也是做3D打印產(chǎn)品、生產(chǎn)以及銷售和服務(wù)的。我們還有兩個創(chuàng)新中心，一個是南京市的三維打印創(chuàng)新中心，是做成果轉(zhuǎn)化以及技術(shù)服務(wù)、平臺建設(shè)的。還有一個協(xié)同創(chuàng)新中心，這個3D打印機的協(xié)同創(chuàng)新中心是把各個相關(guān)的學科資源進行一個整合，面向產(chǎn)業(yè)協(xié)同進行一些基礎(chǔ)性的技術(shù)研究和開發(fā)工作的。所以總體來說，我們這個團隊現(xiàn)在有200號人跟技術(shù)相關(guān)的。

我今天主要的重點，向各位匯報一下以及討論一下關(guān)于我們其中做的一個方向是建筑打印，建筑打印這一塊，我相信各位也不陌生，在這個領(lǐng)域里面其實出現(xiàn)的比較晚，也是最近這兩三年左右的時間，之前更多的還都是一些關(guān)于其他的小型的桌面式的，或者是工業(yè)級的3D打印設(shè)備。

我主要向各位共同討論一下這幾個方面，一個就是建筑打印它的一些特點，另外一個建筑打印所涉及到的幾個關(guān)鍵核心技術(shù)以及我個人認為在3D建筑打印領(lǐng)域的一些發(fā)展趨勢或者需求。我剛才簡單介紹一下我們這個團隊主要的情況，我就不再詳細介紹了，我們還有一些研究生的工作站，還有幾個產(chǎn)品的品牌。

這是我們一個公司其中的研發(fā)場所，我們還有一個重點實驗室的研發(fā)場所，5000個平米。這是我們的兩個工廠，生產(chǎn)各種3D打印設(shè)備，包括桌面級的小型設(shè)備、工業(yè)化的設(shè)備以及這種大型的設(shè)備。這是我們的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，里面有各種各樣3D打印的設(shè)備，以及3D打印的應(yīng)用成果和案例。右下角的那個圖你會看到一個辟邪，那是南京的象征，只進不出，能夠有理財?shù)脑⒁狻＿@個是我們打印的，3.5斤重的辟邪，用打印的方式去復(fù)制，表面做舊，跟實物一模一樣的東西。

我們也取得了一系列的資質(zhì)。

在小型設(shè)備上面我們做FDM系列和SLA系列的小設(shè)備，在市場上已經(jīng)形成了一定的銷量，主要是出口。我們還在彩色3D打印上面，4年以來一直在做彩色打印設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。它可以在玩具以及對動漫有更好的應(yīng)用。

我們還有一些做UV的，當然它的壽命也比較長，采用的是一種支撐材料和實體材料相結(jié)合的方式。我們研發(fā)了各種各樣成形的材料，為各種成形工藝提供各種各樣的支撐。基于前面的研發(fā)工作，我們做了一個云制造平臺，這個平臺一方面是為那些買不起設(shè)備的用戶提供各種各樣設(shè)計和制造的服務(wù)，另外希望能夠把現(xiàn)在的這種已經(jīng)購買設(shè)備的用戶，它的設(shè)備的效率利用起來。大家知道很多的高校和科研機構(gòu)買很多很貴重的設(shè)備，但是設(shè)備的利用率絕大多數(shù)情況下都是空的，怎么有效利用這些設(shè)備的利用率，為社會，為用戶提供更好的服務(wù)，這是我們現(xiàn)在做這個云制造平臺所要做的一個基礎(chǔ)性工作，我們可以把這些閑置的設(shè)備，通過我們的云平臺聯(lián)系起來作為我們的下端，作為它的一個網(wǎng)絡(luò)群。我們要搭建這樣的一個網(wǎng)絡(luò)平臺和前期的數(shù)據(jù)架構(gòu)，就能夠為各種各樣的用戶提供各種各樣的技術(shù)支持和服務(wù)。

我們在全國建了好幾個科技館，這些都是義務(wù)性的，全年是免費的，對青少年進行一個科普。更重要的是我們希望把這些設(shè)備的資源通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，面向廣大的社會提供各種各樣3D打印個性化的服務(wù)。

我們在建筑領(lǐng)域里做了一部分工作，這工作還在進行時，還有許多需要完善的地方。我們也認為在建筑領(lǐng)域里它還有很多的挑戰(zhàn)，但是它的優(yōu)勢也應(yīng)該比較明顯。首先一個優(yōu)勢，它抗沖擊性能和抗震性能比傳統(tǒng)的建筑大幅度增強，因為我們知道3D打印它從頭到尾變成了一個零件，是混凝土的，相對于傳統(tǒng)的這個建筑來講，它有很多的磚、混凝土、鋼筋，不同的材質(zhì)組成。首先如果我把一個建筑看成一個機器的話，這樣的一套機器應(yīng)該是有幾千、上萬個零件組成的，任何一個零件的損害都會影響整個機器的一個結(jié)構(gòu)和性能。建筑打印機就不一樣，從毛坯上來講只有一個零件，這一個零件損壞了才會影響整體的性能，建筑打印它整體的性能要比傳統(tǒng)的高很多倍，但是怎么實現(xiàn)這樣一個力學結(jié)構(gòu)或者抗沖擊性能，對于防止實體建筑來講，從功能要求出發(fā)，我們達到這個要求，就是后面我們要通過關(guān)鍵核心技術(shù)要解決的問題。3D打印它可以自由成形，在整個結(jié)構(gòu)里面通過節(jié)省材料的方式，類似于右下角一樣的方式，可以大量的節(jié)省材料。我們可以節(jié)省20%到30%的建筑材料。

第三個方面，它就可以有更好的保溫的性能和環(huán)保的性能。還有一個就是對于很多的設(shè)計師來講，怎么去設(shè)計出和制造出他想要的一種造型的建筑，當然這個本身就是藝術(shù)和功能的結(jié)合體。對于現(xiàn)在的這種技術(shù)來講很難做得到。很多的建筑師的夢想是一個造型非常有別致的，讓人看過就不會忘記的造型。但是對于施工方來講，可能是無法承受的，或者是無法施工的。對于3D打印來說，解決這個問題是一個非常容易的事情，因為3D打印解決的重點就是結(jié)構(gòu)的形狀的問題。所以如果我們通過建筑打印的這種方式來去實現(xiàn)實體建筑的話，它可以非常有機地很好地結(jié)合，把一個工藝或者藝術(shù)給一個實體功能相結(jié)合的方式。當然，對于建筑來講我們很關(guān)心成本問題，我們經(jīng)過一段時間的研究和測試，我們發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的房子跟現(xiàn)在的建筑打印的房子，它的這個成本是接近的，我想扣除這個建筑設(shè)備而言，從材料以及施工、工作時間方面來講，我想它的成本應(yīng)該是沒有明顯的改變或者明顯的差異化。

左下角這個圖就是我們現(xiàn)在正在打印的一棟房子，它是別墅的一部分，它是一個實體的建筑具備的基本功能，就是居住的功能，結(jié)構(gòu)符合我們現(xiàn)在實體對房子要求的功能。我們有一個小的視頻，關(guān)于建筑打印的工藝流程。


從這個成形工藝上來講，它是材料、設(shè)計、結(jié)構(gòu)、力學、功能完整的一體。

這是一個示意圖，也是采用了這種普通的噴頭來噴射這種混凝土的形式，一層層實現(xiàn)三維打印的。這個噴頭在做的時候有多種，有的采用單噴頭，有的采用多噴頭，有的采用另外的這種塑料絲，也有石膏粉等等不同的方式，就是根據(jù)這個建筑本題所需要的特點去使用的一種工藝方法。

這是我們現(xiàn)在做的那棟房子大致的示意圖，兩只手捧起一個地球的造型，我們想塑造的概念就是給建筑師一個夢想，只要給他一個工具，一個3D打印的設(shè)備，他就可以用自己的雙手托起這個地球，改變這個地球。包括這個事，也是我們希望能夠盡快打印出來的。但是樹的造型，它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是完全具備結(jié)構(gòu)的特點和實用的特點。

現(xiàn)在3D打印機技術(shù)雖然是一個新技術(shù)，但是它在繼承傳統(tǒng)的3D打印機技術(shù)以及工藝的基礎(chǔ)上也有相應(yīng)新的要求。在這幾個方面，我認為建筑打印它現(xiàn)在面臨著幾個關(guān)鍵核心技術(shù)。第一個關(guān)鍵核心技術(shù)就是它的結(jié)構(gòu)和功能的一個設(shè)計問題。我相信在座的有很多是做建筑的、做設(shè)計出身的，現(xiàn)在市場上還沒有針對3D打印的一種設(shè)計軟件，我們用的更多的是平面設(shè)計圖做平面的結(jié)構(gòu)設(shè)計，施工圖，但是在設(shè)計的時候根本沒有考慮到材料的問題、工藝的問題以及結(jié)構(gòu)、硬力分析方面的問題。怎么去開發(fā)基于3D打印這種建筑工藝的設(shè)計系統(tǒng)，這是我想可以跟在座共同探討的問題。

第二個，在建筑打印的領(lǐng)域里，它的這種房子結(jié)構(gòu)往往是非常復(fù)雜的，需要的數(shù)據(jù)量非常龐大，怎么解決大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)處理？我想對于做機械產(chǎn)品設(shè)計的或者做傳統(tǒng)的3D打印設(shè)備的這種工程師來講，它有一個很深刻的體會，就是當模型的結(jié)構(gòu)程度非常復(fù)雜的時候，它的數(shù)據(jù)量非常龐大，你處理起來的話花大量的時間，甚至系統(tǒng)很難解決，更不要說房子，遠遠比我們現(xiàn)在看到的小模型，十幾公分、幾十公分模型的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)量大得多，所以如何能夠有效地解決這種大數(shù)據(jù)量的模型的設(shè)計和工作量，這是一個非常大的挑戰(zhàn)。我們現(xiàn)在加工的左下角這個別墅，它的這個數(shù)據(jù)量是幾百兆、上G的數(shù)據(jù)，普通的計算機很難承受得了，而且在運算模擬的時候，在仿真的時候，在進行運力分析的時候往往會遇到很多的問題，這都不是短期內(nèi)靠我們一家或者某一個工程師能解決的問題，這是一個行業(yè)性的問題。

另外這個建筑模型在分析和優(yōu)化方面，我想現(xiàn)在也是一個空白，我們知道現(xiàn)在的建筑打印它的這個模型能不能實用化，是取決于它的性能，滿足不滿足這種實用的需求，你怎么能夠在打印之前就考慮到？

我們在這方面做了一部分工作，我們認為未來的建筑不是單一材料的，是多種材料組成的東西。所以我們認為未來建筑的設(shè)計領(lǐng)域里頭就應(yīng)該考慮到多種材料，它有鋼筋，有混凝土，還有管道、電路，這里面各種材質(zhì)的分布跟建筑是有機的整體，我們可以把它看作系統(tǒng)，由多種有機的材料完美的整合在一起的。你對它的一種建模和設(shè)計，我想這是非常大的挑戰(zhàn)。我們在這個領(lǐng)域里面可以借鑒機械工程方面方面的建模，這個方面我們做了很多的研究，也積累了大量研究的成果和軟件的設(shè)計，我想它們本身是相通的。

在3D打印建筑里面它是有機的整體，不像傳統(tǒng)的制造里面結(jié)構(gòu)往往是分離的，而是有機的整體，所以如何能夠建立這種材料空間和結(jié)構(gòu)空間有機的對應(yīng)，我想這是在我們設(shè)計領(lǐng)域里面要克服的問題。這是我們做的一部分的探索，我們希望能夠基于現(xiàn)在傳統(tǒng)的3D設(shè)計軟件支持現(xiàn)在建筑打印的模型，從單色到多色，從單材質(zhì)到多材質(zhì)的建模的過程，以及從這種最原始的平面的設(shè)計和工程的計算，到工程的自動化的這樣的結(jié)構(gòu)分析，我想這也是我們在做的一部分工作。

第二個關(guān)鍵技術(shù)是關(guān)于3D打印技術(shù)的裝備和研究的開發(fā)。大家都知道現(xiàn)在3D打印的設(shè)備往往都是小設(shè)備，它不足以去實現(xiàn)大工程的建筑物的設(shè)計和生產(chǎn)，或者是相應(yīng)工藝的處理，必須要開發(fā)出專用的工藝設(shè)備。它其實就是一種大型的數(shù)控機床，它的這種設(shè)計、制造及其工藝，其實對于業(yè)界里面是很大的挑戰(zhàn)。我們現(xiàn)在做的設(shè)備最大可以20米，就像這樣的大廳一樣，這對工程機械的工程師和設(shè)計師來講是非常大的挑戰(zhàn)，如何進行結(jié)構(gòu)和加工，這東西都是在業(yè)界提出來新的問題。當然還牽扯到一些工藝的問題，是用這種粉末鋪平連接的形式，還是用類似FDM，用塑料絲、混凝土噴射的方式，我想這兩種方式在業(yè)界里面都有一定的應(yīng)用。左邊這個它是用3DP的方式，右邊那種它是用混凝土，是用噴頭來噴射的方式。它這兩種方式各有優(yōu)缺點。當然還有其他混合的工藝，像剛才說到多材質(zhì)、多材料的方式，它的結(jié)構(gòu)比這個復(fù)雜的多。我們有另外的設(shè)備能夠支持多材料的方式。

第三個方面遇到的問題就是關(guān)于3D打印建筑、設(shè)備還有成形積累的研究，一個就是解決懸臂的問題，比如對于我們現(xiàn)在右邊設(shè)計的建筑來說，它的穹頂相當于是一個懸臂的東西，相當于沒有支撐，對于這種如果采用剛才看到的類型于FDM的方式來說，它的這種支撐沒有辦法添加或者很難添加的，這種懸臂的問題現(xiàn)在行業(yè)里很難解決，你很難在市場和報道上看到用混凝土的方式做懸挑或者直接做天花板的，垂直橫平豎直的結(jié)構(gòu)，所以這個是在行業(yè)內(nèi)要考慮的問題。

第二個就是它本身固化性能的問題。在傳統(tǒng)的性能里面，混凝土大家都很清楚，今天澆灌，到明天，24小時甚至更長的時間讓它去固化。3D打印里面不允許，幾秒鐘一定要讓它固化，從噴出到初凝狀態(tài)以及到完全固化狀態(tài)是需要經(jīng)過時間的，這樣一個時間它的利用率有沒有，會不會影響你的使用，這都是要研究的問題。

下面一個就是系統(tǒng)的集成問題，它包含了很多問題，材料、工藝、檢測、安全問題，因為是一個施工，它必須有大量安全的問題。怎么能夠把這個建筑裝備去設(shè)計和加工出來，還有一些標準的問題。

我想對于建筑打印，還有另外一個關(guān)鍵問題需要解決，就是材料本身的問題。我們都知道它是每一層每一層疊加的，層層之間承接怎么樣，這是一個急需要解決的問題。右上角是我們做的微觀的分析。

第四個方面我要簡單的給各位探討一下，關(guān)于3D打印建筑發(fā)展趨勢的問題。我想趨勢首先是柔性化的問題，這樣一個打印能適應(yīng)于不同的形態(tài)，包括大的城市雕塑，室內(nèi)的裝飾品，怎么能適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)，首先是整個過程要自動化，還有就是你結(jié)構(gòu)要做的模塊化，這是大致的一個模塊化的結(jié)構(gòu)形態(tài)。另外就是實用性，如果僅僅這樣還遠遠不能進入產(chǎn)業(yè)的狀態(tài)，它可能不是一個很有用的東西，一定要解決實用性的問題。我們也打印了相應(yīng)的雕塑，但是這個雕塑離實用還有一定的距離，希望共同探討。

第三個方面就是人文的問題，建筑打印它是個性化的東西，不是解決高樓大廈的問題，解決的是個性化的私人定制的一些問題。什么時候我們可以做到Hobbits的屋子，是一個景觀而不是雕塑，這是一個人文建筑，這是一個目標。

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