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適用于3D打印的建筑材料探析論文
引言
在上世紀 80 年代，美國人發明了讓人嘆為觀止的 3D打印技術。隨著該技術在全球范圍的推廣，許多國家都憑借這項技術創造出巨大的經濟效益。3D 打印技術被認為是“第三次工業革命”的技術代表，到目前為止，該技術在眾多領域的應用均較為廣泛，然而在建筑領域確是嶄露頭角，究其原因，發現最主要的原因是目前適用于當前技術的建筑材料種類太少，而材料又是決定 3D 打印技術發展的基礎，因此，如何突破材料對 3D 打印技術制約的瓶頸，以推動 3D 打印材料發展顯得至關重要。
本文在查閱大量文獻的基礎上，分別從 3D 打印技術的概念、建筑材料的選用等方面進行介紹，以 3D 打印技術為出發點，介紹 3D 打印在建筑材料領域的發展現狀，并結合對 3D 打印建筑材料的認識與存在的問題，展望 3D打印技術在建筑材料領域未來的前景與研究趨勢。
1 3D 打印技術簡介（3D printing technology）
3D 打印技術不同于傳統的打印技術，在該技術中往往以數字模型文件作為它的基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過噴嘴將材料擠出，經過逐層打印的方式來構造物體。之所以稱其為 3D 打印，是因為其參照了打印機的技術原理，加工過程與傳統的噴墨打印十分相似。與傳統打印不同的是，傳統打印機用打印油墨實現打印，而 3D 打印用的是真正的各種原材料。
3D 打印最早于 20 世紀 90 年代中期出現，但由于技術和成本的影響，這一技術并沒有取得長足的進步和發展。隨著科技水平的不斷提高，時代變遷和發展，邊緣技術的完善，3D 技術取得了明顯的進步，從新世紀伊始，我國3D 打印的專利數量快速增長，表明我國的 3D 打印技術正處于極具前景的快速發展時期。目前，我國的 3D 打印技術雖然學術水平較高，但存在應用較少的問題，原材料的制約是限制 3D 打印產業化發展的一重要原因。
2 適 用于 3D 打印的建筑材料 （Building materialsfor 3D printing）
建筑業發展至今，所應用到的建筑材料有成千上萬種，但是適用于 3D 打印技術的建筑材料卻屈指可數。目前 3D 打印建筑所采用的材料還不成熟，結合國內外現狀，荷蘭通過實驗研究發現，塑料和樹脂類材料可以應用于 3D 打印機上；美國則在選用 3D 打印材料上，將目光投向了樹脂砂漿類，粘土類和混凝土類等材料，通過一定的技術處理也成功的應用在了 3D 打印機上[1].我國最典型的應用是在上海，選擇建筑廢料作為材料，通過一系列技術加工，粉碎磨細，加纖維、水泥及有機粘合劑等，做成“油墨”,從而應用于 3D 打印機上。
2.1 GRG 材料
所謂 GRG 材料[2],這里指的是通過采用 GRG 專用石膏，也就是人們常說的超細結晶石膏為基料，將具有專用連續剛性的增強玻璃纖維和它混合制成的產品材料，這種材料目前主要專注于制作異形產品。具有不變形、質量輕、強度高、會呼吸、防火、環保、聲學效果好、加工周期短等特點。一般應用于劇院、報告廳、會展中心、體育場等工程項目，上海世博中心 2600 人大會堂就是通過這種 GRG 產品建造的。
2.2 混凝土類材料
通過將國內外現狀作對比，發現混凝土類材料無論是在傳統建筑生產還是新型 3D 技術領域里，都是主要使用材料之一。由于混凝土類材料具有較高的可塑性，在打印過程中無需支模，其工作過程是在電腦控制下將配置好的混凝土通過噴頭擠出進行打印得到混凝土構件。目前，混凝土類材料結合“輪廓工藝”,在 3D 打印建筑領域得到較多的應用。
此外，隨著材料科學和現代電子信息技術的迅速發展，3D 打印建筑材料的智能化開發也成為業界關注的焦點。這種材料融入了信息科學的內容，把感知、尋優和控制驅動等技術進行融合滲透，使得 3D 打印技術在建筑領域做到材料結構與智能一體化，同時具備多種完善的仿生功能，從而使打印建筑物達到適應環境、調節環境、材料和結構健康狀況的自診斷和自修復等智能化。
3 實例應用（Case application）
3D 打印技術自 20 世紀 90 年代出現以來，已在各領域得到迅速發展。在建筑領域，結合相關的建筑材料，國內外也出現了很多比較典型的實例。
在國外，美國加州大學教授比赫洛克·霍什內維斯提出的“輪廓工藝”可以在不到 20 小時的時間內建造一棟面積 2500 平方英尺的建筑。輪廓工藝的特點在于它不需要使用模具，打印機打印出來的建筑物輪廓將成為建筑物的一部分，研發者認為這樣將會大大提升建筑效率。美國明尼蘇達洲一個名叫 Andrey Rudenko 的承包商用 3D 打印機打印出了一座城堡。由于建筑面積比較大，設計人員在打印時對建筑進行分割，分成各個部分逐一進行打印，然后組裝成型。意大利發明家恩里克·迪尼發明了 D 型工藝打印機[3],其底部有數百個噴嘴，可噴射出鎂質黏合物，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質固體，通過一層層黏合物和砂子的結合，最終形成石質建筑物。目前，已成功建造出內曲線、分割體、導管和中空柱等建筑結構。在國內，上海盈創建筑科技有限公司自主研發了 3D打印設備、打印油墨和連續打印技術，利用建筑物廢料加上水泥、纖維、有機黏合劑等制作的“油墨”進行逐層噴射、循環打印、快速凝固成型，從而打印房屋。盈創公司開發使用的這臺 3D 打印機，打印出堅固的預制件結構可以用作搭建小型建筑。用于打印結構件的材料將工業廢料、建筑殘渣以及高標號的水泥進行了混合，并用玻璃纖維進行了加固。之前打印出的房屋結構件，運到現場后，由工人現場安裝，對于窗戶和管路等部分，軟件會預留相應位置，建筑安裝到位后可以加裝這些部分。2014 年 3 月盈創公司運用該技術在上海青浦打印出了 10 棟 200 平的實體房屋，該批建筑所用材料來自于建筑廢料，全過程由計算機操作，大大降低了建筑成本。2015 年 1 月蘇州工業園區亮相了一棟由 3D 打印機打印完成的 1100 平米的別墅和一棟由 3D 打印機打印完成的 6 層居民樓，其墻體均由大型 3D打印機層層疊加噴繪而成。尤其需要指出的是，打印出的6 層居住樓采用了 3D 打印配筋砌體剪力墻結構這種創新的結構體系，是 3D 打印建筑領域的一次突破。
4 存在問題（Existing problems）
4.1 材料結構性能仍待加強
打印過程中打印材料需要通過輸送管道并經打印頭的打印才能成型，因此打印材料應具有良好的和易性。在打印過程中上層材料的堆積會對下層材料形成壓力，如果下層材料在短時間內沒有形成足夠的強度，就會在壓力作用下變形，所以打印材料還應具有較快的初凝時間和較高的初凝強度。
4.2 材料的凝固硬化
材料的凝固硬化速度是打印建筑中一個不可避免的問題。材料的凝固硬化速度一般受溫度的影響。在春夏秋季，如果溫度在 14~28℃的范圍內，那么不需要特殊處理就能正常固化。若溫度較低，介于 5~14℃，則需要采用加速固化配比的方式保證材料的凝固硬化；若溫度較高，介于 28~38℃的范圍內，則需要延緩材料的凝固硬化時間以達到正常工藝的要求[4];若在北方嚴寒天氣，或冬季施工，在零下的溫度下時，材料的使用則需要配備嚴謹的凝固硬化方案以達到施工的質量要求。
4.3 建筑的表面粗糙
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。正是因為這種特殊的打印技術，導致層與層之間不夠光滑，表面粗糙，并且條紋樣式也很簡單乏味，不夠美觀。
4.4 行業內缺少相關規范
3D 打印技術理念的提出在上個世紀，并在本世紀得以實現加速發展。雖然時間上看，從技術的理念提出到發展經歷了很長時間，但應用于建筑領域的時間還很短，目前的建筑行業并沒有任何相關的規范，使用年限和房屋產權是否會和普通建筑產品一樣，這還待有關權威部門的進一步認可。
5 結論與展望（Conclusion and Prospect）
3D 打印技術在建筑領域正屬于起步發展的階段，3D打印建筑和傳統建筑方式相比，無論是在人力物力還是進度等方面都有很明顯的優勢，目前主要限制 3D 打印技術在建筑業的發展的因素，除了技術自身的問題外，最主要的就是能應用于 3D 打印技術的建筑材料種類還是不夠復雜，而且具體的材料的強度、硬度、性能等問題也需要經過時間和實踐的檢驗，才能得出相關的結論。現階段，為了發展 3D 打印技術在建筑方面的應用，能做的除了改善打印機的相關技術外，還可以通過試驗去挖掘建筑新材料，或者是在原有傳統材料的基礎上，通過添加一些其他材料，使它具備能在 3D 打印機上工作的特性。作為建筑領域的新興技術，我們有理由也有信心相信，隨著建筑材料的發展，3D 打印技術在建筑領域的應用會越來越好，為人類及社會也會做出很大的貢獻。
參考文獻：
[1]葛杰，馬榮全，苗冬梅，白潔。3D 打印建筑技術在綠色建筑領域中的應用[C].第十一屆國際綠色建筑與建筑節能大會暨新技術與產品博覽會論文集，2014:1-4.
[2]陳慶祥。3D 打印建筑發展現狀與前景[J].建筑，2015:79-81.
[3]王子明，劉瑋。3D 打印技術及其在建筑領域的應用[J].混凝土世界，2015:50-57.
[4]李志國，陳穎簡，凡捷。3D 打印建筑材料相關概念辨析[J].天津建設科技，2014:8-12.
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