什么是3D建筑打印？一文读懂！

3D打印是21世纪最伟大的技术进步和创新之一。2021年，其全球市场价值达到1.9亿美元，预计到2030年将增至6.8亿美元。影响这一增长的最大因素是人们对该行业产生的废物的环保担忧日益增加、使用该技术实现定制和架构灵活性的可能性以及快速创建模型和原型。

随着该技术的不断发展，采用和增长的可能性也在增加，到2028年，其复合年增长率(CAGR)预计将达到91.5%。

什么是3D建筑打印？一文读懂！

建筑业中的3D打印是什么？

3D建筑打印（3DCP或3DP）是指利用3D打印机制造建筑元素或整个结构的自动化过程。

然而，3DCP并不像我们习惯使用的传统打印机那样使用墨水，而是一层一层地打印建筑材料，这也是3DCP被称为增材制造或增材建筑的原因。它既可以在现场进行，也可以在非现场进行。

3D打印如何在建筑领域发挥作用？

自20世纪80年代以来，3D打印技术曾多次受到质疑。然而，由于该技术本身的改进，它已获得更大的意义，该技术允许通过叠加连续的材料层来创建三维物体。这种建筑方法用途广泛，可以帮助创建项目的特定组件，甚至可以创建各种类型的复杂结构，例如房屋或居住空间、办公室、桥梁、墙壁、模块化结构、加固模具、柱子、城市家具甚至装饰元素。

在建筑行业，使这项技术发挥作用所需的大部分信息来自设计过程。由于该行业已经在计算机辅助制造过程中拥有经验，并且BIM（建筑信息模型）在建筑行业继续蓬勃发展，因此3D打印技术的集成并不复杂。使用CAD或BIM程序，3D打印机可以接收需要打印的内容的信息，然后机器开始根据指示叠加材料层。这可以用各种材料来完成，最常见的是混凝土、土工聚合物、纤维和沙子的混合物。

根据ResearchandMarkets的一项研究，3D打印在过去十年中发展势头良好，预计到2028年其在建筑市场的价值将达到10.3亿美元。这意味着2021年至2028年期间其复合年增长率将增长91.5%。

3D打印在建筑行业的好处

3D打印为建筑行业带来了巨大的好处，它是一种几乎涉及该行业价值链所有领域的解决方案。从对可持续性的贡献、提高生产力到支持供应链挑战，这项技术彻底改变了我们的建筑方式。

  • 减少时间

采用传统的施工方法，一个项目可能需要数月才能完成，大型项目通常比预期耗时长20%，成本超出初始预算80%。然而，3D打印可以将时间缩短70%，一个项目可以在几小时或几天内完成，具体取决于其规模。因此，承包商可以承接更多项目，从而增加收入来源。

  • 更具成本效益和可持续性

3D打印可以精确计算用于提升结构的材料量，从而减少施工现场产生的废物60%。同样，如果采购和后续存储成本降低，材料采购也不会有剩余。

通过减少时间和成本，企业将看到这项技术带来的好处呈指数级增长，这对需要项目和劳动力短缺的地方也有很大的帮助。通过3D打印机自动创建结构，企业可以看到劳动力成本减少高达80%。

  • 更安全

美国职业安全与健康管理局（OSHA）报告称，每年建筑工地上有十分之一的工人受伤，其中跌倒和与设备的错误接触是主要原因。

3D打印为建筑业带来的最重要的好处之一是现场员工的健康和安全。通过了解如何有效地使用打印机，工人可以更轻松地完成工作并减少现场伤害。

  • 设计灵活性

设计的最后一刻的更改将不再是问题，也不会延迟施工过程。3D打印允许在开始打印结构之前自定义工作，从而消除了这些更改带来的所有麻烦。

3D打印在建筑领域的机遇与挑战

尽管随着越来越多的企业投资3D打印技术，其在建筑领域的优势将不断扩大，但实现市场上更广泛地采用这种方法仍然是一个挑战。

以下重点介绍了几点，这些要点使这项技术在行业专业人士中更加流行，以及为什么大企业仍然对此持怀疑态度：

  • 尽管3D打印本身在建筑方面更具成本效益，但所需机器的购置和操作成本仍然非常高，大企业仍然没有大力投资。
  • 该行业需要培养更多训练有素的专业人员，使之能够掌握3D打印背后的技术，并接受设计计算机模型、操作设备和提供适当维护的培训。
  • 建筑业需要更多的法规和立法来规范3D打印，以便为其在新建筑工地上的使用和实施带来的好处提供明确的指导。

同样，打印机的尺寸和开发也是一个挑战，因为市场上出现的许多型号都将其用途限制在要打印结构的尺寸上。

此外，打印混合物的材料或配方是3D打印作为一种建筑方法脱颖而出的主要限制因素之一。打印材料必须具有所需的打印能力，才能从喷嘴中挤出，并且具有可构建性，才能保持其形状并快速维持自身。

且，由于打印材料的时间有限，因此开放时间(即打印和可构建性在可接受的公差范围内保持一致的时间)成为主要挑战。这一过程中的任何延迟都可能导致混凝土变硬并阻碍工作。

3D打印机的类型

  • 机械臂

自动控制的打印机，允许自由移动和灵活安排多项任务。与其他3D打印方法相比，该臂能够从多个角度进行打印，可以实现复杂的几何形状和曲线，并且可以打印更大的尺寸。

  • 龙门系统

轮廓法标志着3D打印在建筑领域的开始。该过程将建筑材料沉积以形成3D模型，并创建具有光滑表面的大型结构。它与放置在建筑物地板周围的轨道配合使用，这些轨道作为引导机械臂逐层应用混凝土的指南。

3D打印技术在建筑中的应用

  • 方法

目前还没有一种万能的3D打印建筑技术。根据项目的具体情况，可以采用不同的打印方法。以下是最常见的方法：

  1. 挤压：挤压是最常见的3D打印技术，因为它几乎可以在所有环境中使用。这种方法通常用于建模、原型设计和生产应用，通过安装在机械臂、龙门系统或起重机上的一个或多个喷嘴来回分层材料来创建物体。
  2. 粉末粘接：与其他3D打印机构造方法相反，粉末粘接使用粉末状原材料作为其主要成分。有两种方法：粉末床喷射和粘合剂喷射。第一种方法的特点是使用激光逐层熔化所需物体上的灰尘颗粒，而涂层片则为每个新层添加更多材料。另一方面，粘合剂喷射使用打印头在粉末打印床上沉积液体粘合剂。液体将粉末颗粒粘合在一起，形成所需物体的每一层。然后添加新的层，并逐层重复该过程。这种方法可以以更高的精度进行打印，并可以处理更复杂的打印。
  3. 喷涂：自主机器人在压力下将建筑材料喷涂成所需的形状，并逐层重复该过程。这种方法可以用混凝土填充结构空间，目前正在研究将其用于垂直和突出的应用，例如外墙或天花板装饰。
  • 材料

一旦选择了3D打印施工方法，就该选择要使用的材料了。建筑3D打印的最新进展增加了可用的不同材料的数量。所选材料应取决于相关项目的类型，但最常用的材料是：

  1. 专有混凝土混合物；
  2. 砂浆；
  3. 塑料；
  4. 金属；
  5. 当地天然材料（石头、沙子、泥土、稻米废料等）。

全球建筑业的3D打印

对建筑和更好基础设施的需求正在增长，尤其是在大城市。1800年，只有3%的人口居住在城市地区；到1900年，居住在城市的总人口增加到15%；而如今，居住在城市地区的人口已达到55%。世界经济论坛预测，到2050年，三分之二的人口将居住在大城市。

全球范围内，有许多政府措施鼓励在建筑中实施3D打印。许多城市都在竞相争取胜利，迪拜是其中的佼佼者，到2030年，迪拜25%的建筑必须采用3D打印技术建造。

这项技术在全球的情况如何？

  • 美国
  1. 美国是第一个在建筑领域投资3D打印技术的国家，并且在北美地区3D打印项目数量上处于领先地位。
  2. 美国海军和美国国家航空航天局等大型组织都参与了北美的项目。
  3. 墨西哥是拉美地区项目最多的国家。
  • 欧洲
  1. 其开发项目数量位居全球首位，其中荷兰是研发（R&D）的主要节点。
  2. 近年来，法国、德国、西班牙、英国和意大利的地位日益突出。
  3. 大学在建筑3D打印研发工作中发挥着重要作用，并与企业一起参与其实施。
  4. 它们提高了环境效益和可持续效益。
  • 亚洲和中东
  1. 2020年，建筑3D打印市场的38%份额来自亚太地区，这主要是因为该地区该领域的机遇丰厚。
  2. 迪拜政府仅使用3D打印就建造了世界上最大的政府大楼，该政府承诺到2030年25%的新建筑将采用该技术建造。
  3. 中国是该技术开发的先驱，但近年来其他国家也纷纷效仿，日本成为该技术开发和实施最有前景的国家之一。
  4. 大多数项目都被认为是商业性的，大学在技术发展中变得越来越重要。
  5. 除了房屋，还打印其他结构和原型，例如桥梁。