3D打印技术在建筑领域的研究进展
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3D打印技术在建筑领域的发展现状与未来趋势未来的建筑领域将会发生巨大的变革,而3D打印技术将成为这个变革的重要驱动力。
3D打印技术作为一种革命性的创新,已经在建筑行业中展示了巨大的潜力。
本文将探讨3D打印技术在建筑领域的发展现状和未来趋势。
1. 3D打印技术在建筑领域的现状随着3D打印技术的不断发展,建筑行业开始逐渐应用这项技术。
目前,建筑领域中的3D打印技术主要聚焦于两个方面:建筑组件的打印和整个建筑物的打印。
首先,通过3D打印技术可以制造建筑组件,例如楼梯、墙壁、柱子等。
这种打印方式可以大大提高建筑组件的制造效率,减少人工成本,并且可以实现高度个性化的设计。
同时,由于3D打印技术的灵活性,建筑师可以通过这种方式创造出形状复杂、结构稳定的建筑组件,从而推动建筑设计的创新。
其次,有研究人员已经开始探索将整个建筑物打印出来的可能性。
这种打印方式不仅可以减少建筑时间和建筑成本,还可以减少资源消耗和环境污染。
据报道,有些国家已经成功打印出了一些小型建筑物,这为在建筑业中推广3D打印技术打开了大门。
然而,目前3D打印技术在建筑领域的应用还存在一些挑战。
首先,打印出的建筑物的材料强度和耐久性需要进一步提高,以满足建筑物的要求。
其次,现有的3D打印技术还无法满足大规模建筑的需求,需要更加成熟和高效的打印技术。
最后,由于法律和建筑规范的限制,3D打印建筑物的合法性和安全性问题也需要解决。
2. 3D打印技术在建筑领域的未来趋势尽管现在3D打印技术在建筑领域的应用还面临一些挑战,但它在未来依然有巨大的发展潜力。
首先,随着3D打印技术的不断发展,材料科学也在不断进步。
新型材料的发展将能够满足更高标准的建筑物需求,使3D打印建筑更加安全和耐久。
此外,可再生材料的使用将减少资源消耗和环境污染,使建筑业更加可持续。
其次,3D打印技术的进步将使得大型建筑物的打印成为可能。
随着打印规模的扩大,建筑时间和成本都将大幅减少。
这将有助于解决住房短缺问题,并为快速应对突发灾害提供便利。
3D打印技术在建筑领域的未来发展随着科技的飞速发展,3D打印技术已经从一个新兴的制造技术逐步发展成为多个领域的重要工具,特别是在建筑领域,其应用前景更是广阔。
本文将从技术原理、材料应用、当前发展状况以及未来发展趋势等方面,深入探讨3D打印技术在建筑领域的未来发展。
一、3D打印建筑技术原理及材料应用3D打印建筑技术是一种通过3D打印机逐层堆积材料来制造建筑物的技术。
其基本原理是将数字模型文件分解为若干个二维的层面,然后通过3D打印机将可粘合的材料(如混凝土、塑料等)逐层堆积,最终形成三维的实体建筑。
这种技术不仅带来了快速、低成本、定制化的房屋建造方案,更在实用价值上达到了新的高度。
在建筑领域,3D打印技术所使用的材料多种多样,包括混凝土、砂型、塑料、废料和粘土等。
其中,混凝土是最常见的3D打印建筑材料,由水泥、沙子、水和其他添加剂组成,具有强度高、成本低、耐久性好的优点。
而塑料则是一种利用可回收的塑料或生物塑料的3D 打印建筑材料,具有重量轻、可塑性强、色彩丰富的优点。
这些材料的多样化不仅丰富了3D打印建筑的表现形式,也为建筑师提供了更多的设计可能性。
二、3D打印技术在建筑领域的当前发展状况近年来,3D打印技术在建筑领域的应用已经取得了显著的进展。
从最初的模型制作到如今的房屋建造,3D打印技术已经逐渐渗透到建筑行业的各个环节。
首先,在建筑设计阶段,3D打印技术可以快速地将设计师的创意转化为具体的物理模型,便于设计师和业主更直观地了解设计方案。
这种快速、高效的设计方式大大缩短了设计周期,降低了设计成本。
其次,在施工阶段,3D打印技术可以实现快速、无模板的施工,大大提高了施工效率。
例如,中国清华大学建筑学院徐卫国教授团队成功将3D打印技术应用于河北下花园武家庄的农家宅建设中,展现了该技术在建筑领域的创新应用。
此外,一些3D打印建筑项目,如荷兰的3D打印钢筋混凝土桥、美国的3D打印火星栖息地等,都充分展示了3D打印技术在建筑领域的巨大潜力。
3D打印技术在建筑行业中的现状与未来发展趋势引言:随着科技的不断进步,3D打印技术在各个领域都得到了广泛的应用,建筑行业也不例外。
3D打印技术作为一种创新工具,正在改变着建筑设计和施工的方式。
本文将探讨3D打印技术在建筑行业的现状和未来发展趋势。
一、现状:3D打印技术在建筑行业中的应用1.1 创新建筑设计传统的建筑设计依赖于人工绘图和模型制作,费时费力。
而使用3D打印技术,建筑师可以利用电脑软件直接设计,并通过3D打印机打印出精确的模型。
这不仅提高了设计效率,还可以更好地展现建筑师的创意。
1.2 智能建筑打印机近年来,各种智能建筑打印机相继问世。
这些打印机不仅能够打印出各种建筑材料,还能够实现自动化施工。
它们可以根据预先设定的建筑设计图纸,精准地进行打印和组装,大大提高了施工速度和质量。
1.3 减少浪费与环境保护传统建筑施工过程中会产生大量的浪费材料。
而使用3D打印技术可以根据需求精确打印所需建筑部件,减少浪费。
同时,3D打印技术对环境的影响也相对较小,可以实现资源的有效利用和节约。
二、未来发展趋势:3D打印技术在建筑行业的前景2.1 推动建筑创新随着技术的进一步发展,我们可以预见3D打印技术将极大地推动建筑创新。
借助于3D打印技术,建筑师可以设计更加复杂、独特的建筑形式,从而创造出更具艺术性和实用性的建筑作品。
2.2 加速建筑施工速度目前,传统建筑施工时间长、工序繁琐。
然而,3D打印技术的应用可以极大地加速建筑施工速度。
智能建筑打印机可以24小时不间断工作,快速打印出建筑构件,并进行自动组装,从而大大缩短了施工时间。
2.3 实现定制化建筑现代人对建筑的个性化需求越来越高,传统建筑很难满足这种需求。
而3D打印技术可以满足个性化建筑的需求。
通过3D打印技术,建筑师可以根据客户的要求,精确打印出符合其需求的建筑构件,实现定制化建筑。
2.4 促进建筑行业的可持续发展如前所述,3D打印技术可以减少建筑施工过程中的材料浪费,并且对环境的影响较小。
3D打印技术在建筑设计与制造中的应用研究近年来,随着科技的不断发展,3D打印技术作为一项创新技术,已经开始在多个领域得到广泛的应用。
其中,建筑设计与制造领域也开始逐渐利用3D打印技术来实现设计创意的完美呈现和建筑构件的高效制造。
本文将对3D打印技术在建筑设计与制造中的应用进行研究与探讨。
首先,3D打印技术在建筑设计中的应用主要表现为设计呈现和概念验证。
传统的建筑设计通常依赖于手绘图纸或电脑三维模型,但这些方式无法直观地展示设计师的创意和构想。
而3D打印技术可以将设计师的想法快速转化为实体模型,让设计师、业主和团队成员能够更好地理解和沟通设计意图。
通过3D打印技术,建筑设计师可以将复杂的设计元素直观地展示给客户,使整个设计过程更加高效和准确。
其次,3D打印技术在建筑制造中的应用也取得了显著的成果。
在传统建筑施工中,往往需要大量的现场作业和复杂的施工流程。
而通过3D打印技术,可以将建筑构件的制造工序转移到工厂内进行,大大减少了现场作业量,提高了施工效率和质量。
同时,3D打印技术还可以实现非常复杂的建筑形态,如曲线结构、自由形态等。
这些形态在传统建筑制造中往往需要大量的模板和人工操作,但通过3D打印,可以直接将设计师的想法完整地转化为实体构件,提高了建筑制造的灵活性和可塑性。
此外,3D打印技术还可以为建筑行业提供可持续的解决方案。
传统的建筑制造过程往往会产生大量的废弃物和环境污染,而3D打印技术则可以通过精确控制材料的使用量,减少材料的浪费,并且可以使用可再生的材料进行打印,降低对环境的影响。
与此同时,3D打印技术还能够实现个性化定制,根据用户的需求进行定制打印,避免了通用建筑材料的浪费。
因此,3D打印技术在建筑行业中的应用具有很大的可持续性和环保潜力。
然而,值得注意的是,虽然3D打印技术在建筑设计与制造中的应用前景广阔,但也面临一些挑战和限制。
首先,目前的3D打印设备和材料的成本仍然较高,限制了其在大规模建筑制造中的应用。
3D打印技术在建筑业中的应用研究1. 引言在当今数字化时代,3D打印技术已经迅速成为各行各业的热门话题。
作为一项颠覆性的技术,3D打印正逐渐深入到我们生活的方方面面。
本文将对3D打印技术在建筑业中的应用进行研究。
2. 3D打印技术概述3D打印技术是一种将数字模型转化为三维实体的制造方式。
它以一种逐层堆积材料的方法构建物体,从而达到快速、高效和精确的制造目的。
使用3D打印技术,可以制造出复杂的结构,而传统制造方式难以实现。
3. 3D打印技术在建筑设计中的应用3D打印技术在建筑设计方面具有广泛的应用潜力。
首先,它可以实现个性化建筑设计。
基于用户提供的设计要求,可以通过3D打印技术轻松制造出符合个性化需求的建筑元件。
其次,3D 打印技术可以降低建筑设计和制造过程中的成本和时间,并减少材料的浪费。
最后,3D打印技术还可以实现更加复杂和精确的建筑结构,提高建筑的可持续性和安全性。
4. 3D打印技术在建筑施工中的应用除了在建筑设计中的应用外,3D打印技术还可以在建筑施工中发挥重要作用。
一方面,它可以实现快速建筑施工。
利用3D打印技术,可以减少人工参与的程度,提高施工效率。
另一方面,3D打印技术可以制造出更加复杂的建筑结构,实现更加灵活和创新的建筑形式。
此外,使用3D打印技术可以减少施工过程中产生的垃圾和污染,促进可持续建筑的发展。
5. 3D打印技术在建筑维修与改造中的应用在建筑维修与改造方面,3D打印技术也具有重要的应用价值。
传统的维修和改造过程需要大量的人工操作和材料成本,而3D打印技术可以通过制造出符合规格的零部件来解决这一问题。
使用3D打印技术可以在短时间内制造出所需的零部件,并且减少对原有结构的破坏。
6. 3D打印技术在可持续建筑方面的应用可持续建筑是当前建筑业发展的重要方向之一,而3D打印技术能够为可持续建筑的实现提供有力支持。
首先,使用3D打印技术可以减少材料的浪费。
相比于传统的建筑方式,3D打印技术只需要使用实际需要的材料,避免了浪费现象的发生。
3D打印建筑在装配式建筑施工中的应用研究引言随着科技的不断进步,传统的建筑施工方式正在经历一场革命。
3D打印技术作为一项新兴技术,已经开始逐渐应用于建筑行业。
本文将深入探讨3D打印建筑在装配式建筑施工中的应用研究,分析其优势、挑战和前景。
一、3D打印技术在装配式建筑中的优势1.提高施工效率通过使用3D打印机进行建筑构件制造,可以大大缩短整个施工周期。
与传统的人工施工相比,3D打印可以实现快速制造和装配,节省人力资源和时间成本。
2.降低成本传统建筑施工中,材料浪费常常是一个问题。
而采用3D打印技术可以精确控制材料使用量并减少废弃物产生。
此外,由于无需过多人力介入,减少了劳动力成本。
3.增加设计灵活性传统建筑通常受限于生产设备和设计限制。
而通过使用3D打印技术,建筑师可以实现更加自由灵活的设计,打破传统设计的限制,并根据需要制造多样化形式的建筑构件。
4.增强结构性能和可持续性3D打印技术可以制造出具有复杂内部结构和优异性能的建筑构件。
通过在设计过程中优化结构,并使用高强度、环保材料,可以增强建筑物的整体稳定性和可持续性。
二、应用挑战与解决方案1.施工机器人技术成熟度不足当前,3D打印施工机器人的技术还不够成熟,存在一些难题。
例如,如何使机器人在复杂环境中精确操作、控制3D打印头等问题。
为了解决这些问题,需要进一步改进机器人控制算法和传感器设备。
2.材料选择与质量控制建筑材料是3D打印建筑中关键的部分。
目前市场上供应的3D打印材料种类有限,并且常常存在质量问题。
因此,需要研究开发适用于建筑领域的高质量、环保的3D打印材料,并确保材料的可靠性和稳定性。
3.建筑法规与标准更新传统建筑法规与标准无法完全适应3D打印建筑的需求。
因此,需要制定并更新相关的建筑法规和安全标准,确保3D打印建筑在质量、安全和可靠性方面符合要求。
三、未来发展前景1.规模化商业化生产目前,3D打印建筑仍处于研究和实验阶段。
然而,随着技术的不断进步和成本的降低,预计未来将会出现规模化商业化生产,使其成为主流施工方式之一。
3D打印技术在建筑行业中的发展现状与未来趋势分析近年来,随着科技的不断进步,3D打印技术在各个行业得到了广泛应用。
尤其是在建筑领域,3D打印技术正逐渐改变着传统建筑行业的发展模式。
本文将对3D打印技术在建筑行业中的发展现状与未来趋势进行分析。
一、3D打印技术在建筑行业中的应用现状目前,3D打印技术在建筑行业的应用主要集中在建筑构件的制造和建筑模型的打印两个方面。
在建筑构件制造方面,借助3D打印技术,建筑企业可以实现建筑构件的定制化生产,减少了传统建筑过程中的人力和材料浪费。
同时,通过使用3D打印技术,建筑构件的制造也可以更加高效和精确,大大提高施工效率。
另外,3D打印技术在建筑模型的制作中也发挥了巨大的作用。
传统建筑模型的制作需要耗费大量的时间和人力,而且一旦需要对建筑方案进行修改,还需要重新制作模型。
而3D打印技术可以将设计师的想法快速转化为实物模型,大大缩短了制作周期并降低了制作成本。
二、3D打印技术在建筑行业的优势与挑战与传统建筑方法相比,3D打印技术在建筑行业具有许多优势。
首先,3D打印技术可以实现建筑构件的高度定制化生产,满足不同建筑需求的个性化要求。
其次,3D打印技术可以提高建筑施工的速度和准确度,减少人为因素引起的错误和质量问题。
另外,3D打印技术还可以减少建筑过程中的人力和材料浪费,对环境具有较小的影响。
然而,虽然3D打印技术在建筑行业中有许多优势,但也面临着一些挑战。
首先,目前3D打印技术在建筑行业的应用仍然相对较少,缺乏实践经验和成功案例。
其次,3D打印技术在建筑构件的材料选择、构建速度和建筑质量等方面仍然存在一些问题,需要进一步研究和改进。
此外,3D打印设备的价格高昂,不是所有建筑企业都能够承担得起。
三、3D打印技术在建筑行业的未来趋势随着科技的进步和3D打印技术的不断成熟,预计3D打印技术在建筑行业的应用将会得到进一步发展和推广。
首先,随着建筑行业对建筑构件定制化需求的增加,预计未来建筑企业将更加广泛地采用3D打印技术进行建筑构件的制造。
3D打印技术在建筑领域的发展现状及未来趋势近年来,随着科技的不断进步,3D打印技术也开始在各行各业中得到应用。
在建筑领域,3D打印技术的应用已经引起了广泛的关注。
本文将探讨3D打印技术在建筑领域的发展现状以及未来的发展趋势。
首先,我们来看一下目前3D打印技术在建筑领域的应用现状。
目前,3D打印技术主要应用于建筑模型的制作、构件生产以及建筑物的修复和改造等方面。
在建筑模型的制作方面,传统的手工模型制作过程费时费力,而利用3D打印技术可以快速、精确地制作出复杂的建筑模型,有力地辅助了设计师和建筑师的工作。
在构件生产方面,3D打印技术可以将设计师的创意直接转化为具体的构件,方便了建筑的施工和装配。
而在修复和改造方面,利用3D打印技术可以准确地打印出建筑物所需的砖块、瓦片等零件,并且可以根据实际需求进行定制,提高了修复和改造的效率。
然而,目前3D打印技术在建筑领域的应用还面临一些挑战和限制。
首先,打印材料的选择和性能是一个关键问题。
目前常用的3D打印材料主要是一些塑料和水泥等复合材料,其强度和稳定性还不够理想。
这限制了3D打印建筑的规模和耐久性。
其次,3D打印设备的成本也是一个问题。
虽然随着技术的进步,3D打印设备的价格有所下降,但仍然比传统的建筑设备昂贵。
此外,3D打印建筑的时间成本也相对较高,需要较长的打印时间来完成一个建筑物。
然而,尽管目前存在一些限制,科研人员和建筑师对于3D打印技术的发展仍抱以乐观的态度。
未来,我们可以预见3D打印技术在建筑领域将取得更大的突破和应用。
首先,打印材料方面的研究将得到进一步加强,不仅会开发出更为先进的塑料和水泥等材料,还会探索其他新材料的应用,如金属、玻璃等。
这将大大提升3D打印建筑物的强度和稳定性。
其次,3D打印设备的成本将会逐渐降低,更多的公司和个人将能够购买和使用这种设备。
这将促进3D打印技术在建筑领域的应用普及和推广。
此外,建筑设计和施工过程将会与3D打印技术更加紧密地结合起来,形成一条高效、智能的建筑生产链。
3D打印技术在建筑领域的创新应用与挑战3D打印技术是一种快速发展的先进制造技术,它通过将数字模型转化为实体物体,以层叠的方式逐层打印材料而成。
近年来,3D打印技术在建筑领域得到了广泛应用,并带来了许多创新和挑战。
首先,3D打印技术在建筑领域的创新应用给传统建筑带来了革命性变化。
传统的建筑施工过程通常需要大量的人力和时间,并且受到设计限制。
而采用3D打印技术,则可以通过将建筑物直接打印出来,大大减少了施工时间和人力成本。
这种技术可以应用于各种建筑物的制造,从简单的房屋到复杂的桥梁和建筑结构,3D打印技术都能为传统建筑带来更高效和可持续的解决方案。
其次,3D打印技术在建筑领域的创新应用也为建筑的形式和设计提供了更大的自由度。
传统的建筑物通常受到形状和结构的限制,而采用3D打印技术,则可以打破这些限制,打印出各种形状和结构的建筑物。
这种自由度使得建筑师可以更加创造性地设计建筑,满足不同项目的需求。
此外,3D打印技术还可以实现定制化的建筑设计,根据个人需求和喜好打印出独特的建筑作品,使建筑更具个性化和艺术性。
然而,3D打印技术在建筑领域的创新应用也面临一些挑战。
首先,材料选择是一个重要的问题。
当前常用的3D打印材料如混凝土、石膏等,在强度、韧性和耐久性方面还存在一定的局限性。
因此,需要进一步研究和开发适合建筑领域的新型材料,以提高3D打印建筑的质量和性能。
其次,3D打印技术在建筑领域的创新应用还需要解决建筑物的尺度和规模问题。
目前,3D打印建筑的规模相对较小,大型建筑物的打印尚存在困难。
因此,需要进一步提升3D打印设备的规模和精度,以实现更大规模的建筑物的打印。
此外,3D打印技术在建筑领域的创新应用还需要解决建筑安全和稳定性的问题。
相比传统建筑方式,采用3D打印技术建造的建筑物需要经过严格的结构分析和测试,以确保其安全性和稳定性。
因此,需要建立一套完善的3D打印建筑物的设计和评估标准,确保建筑物的可靠性。
3D打印技术在建筑领域的研究进展林宗浩,石从黎,陈敬(重庆建工建材物流有限公司,重庆 401122)[摘 要]近年来,3D 打印技术作为高速发展的新兴技术,在机械、医学等行业取得了很大成功,在建筑领域也有所发展。
本文重点从 3D 打印建筑技术中的建筑 3D 打印机、建筑 3D 打印材料、3D 打印建筑实例出发,阐述了国内外 3D 打印建筑技术发展状况及最新进展,讨论了建筑 3D 打印机、打印材料在当前所面临的问题,分析并提出了未来可研究的方向。
[关键词] 3D 打印技术;建筑 3D 打印机;建筑材料;3D 打印建筑实例Research progress of 3D printing technology in building fieldLin Zonghao, Shi Congli, Chen Jing(Chongqing Construction Engineering Building Materials & Logistics Co., Ltd., Chongqing 401122) Abstract: 3D printing technology is a new technology rapid developed in recent years, not only have achieved great success in field of machinery, medicine, but aslo it have some development in building field. This article focuses on building 3D printer and building materials in building 3D printing technology and 3D building printing examples, expound the development and latest progress of building 3D printing technology at home and abroad. We discussed the currently question that faced with building 3D printer and building materials, and then we analyzed and proposed the possible research directions in the future.Key words: 3D printing technology; building 3D printer; building materials; 3D building printing examples0 前言当前人类正面临历史上第三次工业革命浪潮,信息化和数字化产业的发展是必然趋势。
英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中,将 3D 打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一,引发了世人的关注。
随着 3D 打印技术在全球的知名度逐渐提高,在各行各业的应用也都逐渐被开发了出来。
如今,3D 打印广泛涉猎各大行业,在航空航天、工业、生物医疗以及建筑等产业都取得了飞速地发展。
在建筑行业,3D 打印技术同样顺应了产业革命的发展。
3D 打印建筑是利用计算机发出指令控制工业机器人逐层重复铺设材料层构建自由形式的建筑结构的新兴技术,将使大规模的个性化生产成为可能,逐步实现快速建造和产业化生产,并会创造出大量的传统工艺不易甚至无法生产的新建筑结构[1]。
同时,3D 打印建筑技术极大程度上实现了节约、绿色、低劳动强度、文明施工的现代生产方式,是传统建筑技术、传统建筑模式无法比拟的。
混凝土作为建筑上用量最大、范围最广的建筑用材料,3D 打印建筑技术主要就是 3D 打印混凝土技术,是在 3D 打印技术的基础上发展起来的混凝土施工新技术。
目前的 3D 打印机主要是小型的桌面打印机,并不适用于建筑 3D 打印。
因此本文以 3D 打印混凝土技术为例,主要从打印机设备和打印材料以及一些 3D 打印的建筑实例出发,探讨了 3D 打印建筑技术的研究进展。
1 建筑 3D 打印技术相关概念3D 打印技术的概念在 20 世纪 70~80 年代首次问世,当时被称为“快速成型”技术。
1986 年,Chuck Hull 发明了立体光刻工艺(SLA),并获得专利[2]。
而 Joseph Pegna[3] 是第一个尝试使用水泥基材料进行建筑构件 3D 打印的科学家,其方法类似于选择性沉积法:先在底层铺一层薄薄的砂子,然后在上面铺一层水泥浆,采用蒸汽养护使其快速固化成型。
而当前应用于建筑领域的 3D 打印技术主要有三种:D 型工艺(D -Shape)[4](图 1)、轮廓工艺(Contour Crafting)[5](图 2)和混凝土打印(Concrete Printing)[6](图 3)。
3D 建筑打印是利用工业机器人通过逐层累积最终形成一个自由形式的建筑结构成品的新兴技术。
其构成和传统打印机基本一样,都是由控制系统、机械系统、打印喷头、建筑打印材料组成的。
根据电脑上设计的完整的三维模型数据,通过一个运行程序将材料分层打印输出并逐层叠加,最终将计算机上的三维模型变为建筑实物。
与传统建筑施工工艺相比,3D 建筑打印技术有以下主要优势:(1)施工工期短;(2)不会因为建筑形状、结构复杂性等因素而增加建设成本;(3)不需要模板,定制性强,可塑性好,可打印出任何细节特点与复杂曲面、管道等;(4)根据 CAD 设计图,全程由电脑程序操控,无需人工干预,这意味着建筑行业伤亡事故风险的大幅减少,大量节省人员劳工,且用于建筑施工的安全措施费降低;(5)可以降低建筑粉尘污染,减少雾霾,保护环境,实·32··33·现绿色环保。
图 1 D-Shape 制作的建筑物和月球建筑效果图图 2 Contour Crafting 制作的墙体和建筑效果图图 3 Concrete Printing 制作的异形构件2 建筑 3D 打印机设备的研究进展情况目前用于建筑的 3D 打印机主要由两部分组成,第一部分为连续输出建筑材料的系统即输料系统,第二部分为打印机的主体结构即带动输料系统根据计算机发出的指令运动的运动系统。
整个打印机的工作流程示意图如图 4 所示。
图 4 建筑 3D 打印机工作示意图目前打印机常用运动系统的结构主要有两种,一种是直角坐标系结构,另一种为球坐标系结构。
图 5 所示为两种不同结构类型的直角坐标系的运动系统结构,图中左边的打印机是将整个输料系统放在一根横梁上通过竖直方向的两根导轨带动整个横梁在竖直方向(Z 轴)进行上下运动实现打印过程的材料叠加完成整个实物的打印;右图中打印机的横梁固定在打印机的最顶端不动,输料系统悬挂在 Z 轴的最末端,利用螺杆或者齿轮通过“伸缩”的方式使得输料系统在 Z 轴上进行坐标移动进行材料叠加完成整个实物的打印过程。
图 5 直角坐标系结构打印机如图 6 所示为球坐标系结构的建筑 3D 打印机,图中左边为意大利一家公司发明的建筑 3D 打印机,图中右边为泰国暹罗水泥集团 3D 打印水泥机。
这种球坐标系结构的 3D 打印机方便于输料系统的安装设置,可以直接将料斗设置在球坐标的三轴的交汇点处,通过电脑发出指令使得三轴的伸缩进行坐标点的连续变化实现打印过程。
图 6 球坐标系结构打印机关于建筑 3D 打印机输料系统目前的输送动力主要是靠挤压。
但目前为了改善以下因材料所产生的打印问题导致了输料系统的类型繁多,其主要问题有:(1)众所周知混凝土材料是多种原材料混合而成,其中含有不少粒径相对偏大的骨料,喷嘴的口径也相对偏大导致逐层叠加打印过程中每层间会产生一些明显凹纹整体打印表面粗糙;(2)混凝土材料从塑性状态到凝固并形成强度需要一定时间,在逐层叠加过程中下层材料不足以支撑上层材料的重量导致逐层叠加的高度受到限制;(3)混凝土材料抗压强度高,但抗折、抗拉、抗弯能力弱,无法在打印过程中实现钢筋的布置导致实体的抗震、抗风力冲击能力较弱。
为了解决打印出的建筑实体表面粗糙这一缺陷问题,南加州大学发明在打印机喷头处添加泥刀,如图 7 中左图所示,用于抹平和精确规整打印建筑每一层的外表面,以解决打印建筑实体的过程中不可避免的层级堆积效应,出现表面不平整的横向凹纹现象[8]。
为了解决打印过程中混凝土材料堆积高度受限的问题,一家荷兰公司根据混凝土升高温度可以加速凝固这一特点,在打印机喷头处添加暖风通入装置,如图 7 的中间图所示,能够及时对打印出的实体进行加热,加速混凝土材料的凝固,以致打印过程中下层材料对上层材料提供足够的支撑能力。
针对于 3D 打印混凝土过程中无法设建筑材料容器进料管输出泵输出管喷头置钢筋的问题,中国北京华商陆海科技有限公司采用预先设置好钢筋,再通过改进打印喷头改善出料方式进行混凝土打印,如图 7 中右图所示,将钢筋包裹在混凝土内部,从而保证了打印建筑实体的抗折、抗拉、抗弯强度,与目前现浇施工方式建造的钢筋混凝土建筑几乎没有区别。
除了以上几种通过改进输料系统来达到 3D 打印建筑的各种技术要求,也有学者提出从混凝土材料本身着手解决以上问题,比如混凝土材料中掺入抗碱玻璃纤维[9]。
玻璃纤维主要是短玻璃纤维,其作用原理相当于加筋原理,以此来解决 3D打印建筑的抗弯拉强度不足的缺点。
建筑 3D 打印机输料系统的改进特别是喷头设计的进步,使得用于建筑上的 3D 打印技术日趋成熟,为未来实现自动化建设奠定了有力的基础。
3D 打印技术在建筑中使用不得不面对建筑实体是一个巨型尺寸的问题,这将对打印机的尺寸放大是一个不小的考验。
对于单层、低层或者面积较小建筑的打印仅通过改变龙门架的长度、宽度、高度就可以实现,要完成更高层、更大面积的建筑就将面临着考虑机器本身的尺寸、设备以及打印材料的输送、提升等问题的考验。
可以考虑龙门架提升、脚手架悬挂、塔带机式的输送材料与骑墙式行走等打印的模式;也可以考虑将利用钢架高度的增加以逐级将整个打印设备提升到所需的高度。
以此来解决高层结构打印所面临的打印设备高度有限的问题。
对于建筑实体面积较大的,可以采用多台打印机设备同时分工、协作的工作方式进行分块打印,最后形成一个统一的整体。
3 用于 3D 打印的建筑材料研究进展一直以来,建筑 3D 打印真正的障碍是材料。
混凝土材料不同于其他 3D 打印材料,比如塑料、金属、ABS 等能在高温情况下熔为液体,在空气中能迅速的凝固为固体便于堆积。
混凝土和水泥这些材料需要非常适合于 3D 打印机器人的大规模修建工作,它们需要能够快速干燥,以支撑起自己以及上层的重量并结合在一起。