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建筑与3D打印 3D打印技术在建筑业的发展现状分析 01 3D打印概述 02 建筑实例 03 现状分析 目录 1 第三次工业革命2 3D打印技术的发展3 3D打印的原理 特点4 3D打印的分类 应用5 建筑装饰与模型 1 轮廓工艺 2 莫比乌斯环屋3 月球空间站3 打印房屋2 0 4 荷兰 运河屋 5 青浦园区打印屋6 中世纪城堡 1 3D打印建筑的优点2 3D打印建筑的不足3 3D打印建筑的技术难题 建筑与3D打印 PART1 3D打印概述 3D打印 英语 3Dprinting 即快速成形技术的一种 它是一种数字模型文件为基础 运用粉末状金属或塑料等可粘合材料 通过逐层打印的方式来构造物体的技术 01 02 03 第三次工业革命 18世纪60年代 蒸汽机的广泛使用引发了第一次工业革命 发电机和电动机的发明和使用 成为第二次工业革命的突出标志 2012年4月 英国著名财经杂志 经济学人 报道称 3D打印将推动第三次工业革命 由此 3D打印技术被称为 具有工业革命意义的制造技术 创新触发期 根据2013年7月的3D打印技术曲线成熟度 HypeCycles 报告 技术成熟曲线分为五大阶段 创新触发期 InnovationTrigger 期望膨胀期 PeakofInflatedExpectations 泡沫化的谷底期 TroughofDisillusionment 稳步爬升的光明期 SlopeofEnlightenment 实质生产的高峰期 Plateauofproductivity 由图可知 个人级3D打印技术正处于期望膨胀期 而企业级3D打印技术已经步入稳步爬升的光明期 期望膨胀期 泡沫化的谷底期 稳步爬升的光明期 实质生产的高峰期 3D打印技术 加法 A 传统机械加工 减法 B 3D打印技术 学术上又称 添加制造 技术 也称增材制造或增量制造 3D打印将三维实体变为若干个二维平面 通过对材料处理并逐层叠加进行生产 传统制造业通过模具 车铣等机械加工方式对原材料进行定型 切削以最终生产成品 3D打印机技术在原理上并不复杂 与传统制造业在材料上做减法不同 它奉行的是加法守则 要打印一个东西 你首先要有一张3D立体图 配套的软件会把这张图上的物体进行一系列数字切片 并将切片信息传送到打印机 打印喷头立刻启动 根据切片信息 一层层极薄地堆叠出立体物件 3D打印的原理 01 数字制造 借助CAD等软件将产品结构数字化 驱动机器设备加工制造成器件 数字化文件还可借助网络进行传递 实现异地分散化制造的生产模式 02 降维制造 即把三维结构的物体先分解成二维层状结构 逐层累加形成三维物品 因此 原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构 而且制造过程更柔性化 03 堆积制造 从下而上 的堆积方式对于实现非匀致材料 功能梯度的器件更有优势 04 直接制造 任何高性能难成型的部件均可通过 打印 方式一次性直接制造出来 不需要通过组装拼接等复杂过程来实现 05 快速制造 3D打印制造工艺流程短 全自动 可实现现场制造 因此 制造更快速 更高效 3D打印的特点 3D打印机分为民用级 个人级 工业级 企业级 专业级 生产级 只能打印单色物体 同一台打印机不能更换耗材价格 最便宜的几千 几万元不等 有国产和进口区分 材料范围 尼龙 塑料 树脂等少数可塑性材料打印速度 手掌大模型需打印几十分钟 几个小时 根据模型复杂程度 打印机体积 普通桌面可放置操作难度 操作简单 需三维设计人员操作 民用级3D打印机 可以直接打印混合彩色物体价格 上百万元材料范围 金属 陶瓷 塑料等常见材料打印速度 可高速批量打印打印机体积 体积较大操作难度 操作复杂 需培训专业人员操作 工业级3D打印机 眼下3D打印机有两种类型 一种是堆叠法 一种是烧结 原理基本都是多层分片打印 而堆叠和烧结只是成型技术的区别 堆叠只能成型塑料 硅之类的材质 对固化反应速度有要求 而烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行处理加工出金属材质的东西出来 实体可通过打磨 钻孔 电镀等方式进一步加工 3D打印机的分类 航空航天 汽车制造 3D打印的应用 医疗牙科 电子产品 建筑 零部件 珠宝首饰 食品 电影 3D打印与建筑 由下表可知 3D打印在建筑业的应用尚未形成规模 而在现实生活中 3D打印主要应用于建筑装饰以及建筑模型的制作 3D打印实体建筑尚处于试验性阶段 应用现状 建筑装饰 建筑模型 目前 3D打印在建筑装饰上已经比较成熟 个性化的装饰部件已经成功应用于水立方 上海世博会大会堂 国家大剧院 广州歌剧院 东方艺术中心 凤凰国际传媒中心 海南国际会展中心 三亚凤凰岛等成百上千个建筑项目 在建筑业 设计师们使用3D打印机打印建筑模型 这种方法快速 低成本 环保 同时制作精美 3D打印模型是建筑创意实现可视化与无障碍沟通最好方法 完全符合设计者的要求 切有节省大量的材料和时间 PART2 建筑实例 按照发展顺序 详述了国内外3D打印实体建筑的案例 主要包括 轮廓工艺 莫比乌斯环屋 月球基地 打印房屋2 0 荷兰 运河屋 青浦园区打印屋 中国上海 中世纪城堡 2012年 由美国航天局 NASA 出资 美国南加州大学工业与系统工程系的比洛克 霍什内维斯 BehrokhKhoshnevis 教授做了一个3D打印技术应用在建筑领域的电脑模拟展示 运用 轮廓工艺 系统在不到20小时的时间内能够建造一幢面积2500平方英尺的建筑 比洛克 霍什内维斯教授说 轮廓工艺 打印出来的墙壁是空心的 虽然质量更轻 但它们的强度系数比传统房屋更高 而且节省了20 25 的资金 25 30 的材料和45 55 的人工 他表示做这项研究的最初目的只是想给穷人们又快又好地盖房子 他的这项技术创新早在2006年就被美国发明家名人堂和现代奇迹栏目评为年度最佳发明 但遗憾的是 这项发明却一直没能走出实验室 轮廓工艺 LandscapeHouse 莫比乌斯环屋 荷兰建筑师简加普 鲁基森纳斯JanjaapRuijssenaars 来自荷兰的宇宙建筑公司 2013年1月 他表示他们希望能用3D打印技术建造一栋景观建筑 名为 LandscapeHouse 他们将沙子和黏合剂 打印 成若干个模块 并对其进行组装 最终的成品建筑会采用单流设计 运用创新的3D打印技术进行打造 由上下两层构成莫比乌斯环屋 工程预计能在2014年完工 他的3D打印建筑项目是Europan竞赛的参赛部分 该竞赛允许超过15个国家的建筑师在两年的时间内建造建筑以参与评奖 项目背景 Foster Partners事务所与欧洲航天局europeanspaceagency合作用月球上现有的材料建造3D打印建筑 项目概况 利用现有的建造技术 配合三维打印 在未来几年里 人类在月球上建造建筑物将成为可能 通过发明一种能承重的 悬链线 形拱顶和蜂窝结构墙体 使建筑内部能抵御月球上的微流星体和太空辐射的损伤 foster partners事务所还设计了一种增压充气配件来保护建筑内的宇航员 这种空心封闭气泡结构 让人联想到鸟类的骨骼 很好地结合了建筑的强度和重量 速度 现有3D打印机的速度是每小时2m左右墨水 用于打印的结构 墨水 是一种盐材料 月球空间站 建筑模型实例 荷兰阿姆斯特丹正在建造世界上第一座3D打印房屋 这座房屋名为 运河屋 由荷兰DUS建筑师事务所设计 共有13个房间 所采用的特大型3D打印机被称之为 KamerMaker 意为 房屋建造者 工作时 KamerMaker逐层打印熔塑层 凝固后形成塑料块 在此之后 建筑工人像玩乐高玩具一样建造运河屋 目前 运河屋已经在阿姆斯特丹北部地区动工 预计3年后竣工 荷兰 运河屋 DUS建筑师事务所的汉斯 沃梅伦表示 3D打印的运河屋是一个独特的建筑项目 因为这一项目集施工现场 博物馆和研究设施于一身 从3D打印机打印出第一个构造组件的那一刻起 我们便开始了数字制造技术用于建筑业可能性的探索之旅 运河屋草图 青浦园区打印屋 号称 全球首批3D打印实用建筑 的房屋近日亮相上海青浦 将建筑垃圾变废为宝 让建筑工人做更体面的工作 让建筑成本降低50 让更多人住得起房子 房型家具私人定制 让水更清天更蓝 其研发者马义和近日也被冠上 全国3D打印第一人 的名号 2014年8月25日 10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内交付使用 作为当地动迁工程的办公用房 这些 打印 出来的建筑墙体是用建筑垃圾制成的特殊 油墨 按照电脑设计的图纸和方案 经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成 10幢小屋的建筑过程仅花费24小时 2014年1月 首批3D打印建筑亮相上海青浦 引发国内外多方关注 这10幢有着方便面式外表纹理的房子 是由一台高6 6米 宽10米 长32米 展开150米 的3D打印机在24小时内打印出来的 平均造价仅为两三万元 走进一个3D打印的房间 设计的多样性可以让门窗等位置在 打印 过程中就预留出来 并且根据需要安装预埋件 与众不同的墙体 也并非钢筋水泥浇筑 而是用一种特殊的 油墨 根据电脑设计图纸和方案 在现场层层叠加 喷绘 而成 建筑装饰实例 北京草莓大厦 据外媒2014年9月15日报道 日前 美国明尼苏达州一名工程师安德烈 卢金科 AndreyRudenko 及其团队用3D打印机在自家的后院打印出一座中世纪城堡 据称该城堡是迄今为止最大的3D打印建筑之一 也是世界上首个3D打印的混凝土城堡 该城堡采用混凝土材料 占地面积为15平方米 虽然城堡大小只能容人站在里边 但这无疑是3D打印技术的一个分水岭 卢金科及其团队用了一年有余的时间专门研制了混凝土打印材料 卢金科称这种材料可以建造比较坚固的住宅 整体的外墙以及三个塔顶 采用分别制作 最后搭建组装成为独立且一体的城堡 据工程师本人介绍 这项新技术不仅可以无限量打印古典装饰 还可以创造全新的形状 元素 并且有效的降低了成本 解决了技术难题 中世纪城堡 打印细节 PART3 现状分析 分析了3D打印实体建筑的现状优缺点 列举了3D打印建筑的近期项目 预示着3D打印建筑的巨大潜力 02 保温 01 油墨 03 整体性 青浦打印屋的 油墨 以高标号水泥和玻璃纤维为主 依靠打印机设备以连续线性挤出方式 打印 而成 与传统建筑无异 甚至比传统钢混建筑强度更高 预留 梁 和 柱 浇筑的空间 预留门窗洞口 一次性解决墙体的承重结构问题 更能够打印出各种造型的房屋外立面 04 环保 空心墙体不但大大减轻了建筑本身的重量 更便于建筑商在其空空的 腹中 填充保温材料 让墙体成为整体性自保温墙体 盈创公司3D打印建筑 油墨 的另一个核心就是建筑垃圾再利用 包括工业垃圾 尾矿等 让建筑垃圾回到建筑中 让新建建筑不再产生建筑垃圾 打印的优点 以青浦园区打印屋为例 01 材料安全 02 材料性能 03 结构安全 04 使用寿命 盈创科技3D打印的 油墨 构成主要是高标号水泥和玻璃纤维 而某些国家禁止建筑大量使用玻璃纤维 因为玻璃纤维会影响人体呼吸系统 关于3D打印的标准尚未出现 其材料的防火性能 隔音性能 环保性能有待考证 高强度水泥未来的回收问题如何解决 地基是否够扎实 如果要建几十层的高楼 房屋的结构 材料的坚固性 抗压性 坚固性 抗震性都有待检验 目前打印的房屋最多只能作为临时建筑或是救灾用房 而青浦项目的负责人表示 打印出来的房屋理论上生命周期长达30年至50年 但尚待验证 3D打印建筑的不足 A 设备 为了实现大体量建筑物的设计和生产 必须要开发出专用的打印设备 这种大型的数控机床 它的设计 制造及其工艺对于3D打印业界来说是很大的挑战 机器越大越难制造 更重要的是机器越大 打印精度和打印速度就会越差 B 首先是材料本身固化性能的问题 油墨是液态的 自凝固的 一层的凝结时间和另一层的粘合时间必须计算地非常准确 其次是材料多样性问题 建筑不是单一材料的 是多种材料组成的东西 如何将管道 电路以及各种材质打印成有机的整体 将是巨大的挑战 C 对于建筑成型还需要积累研究经验 如何解决悬臂问题 穹顶问题在行业里很难解决 悬臂缺乏支撑体系 就像很难用混凝土的方式做悬挑或者直接做天花板一样 此外 一些异型建筑也会面临结构稳定性的挑战 3D打印建筑的技术难题 成型 材料 打印材料的限制 3D打印机使用的是真实的金属 陶瓷 塑料 尼龙玻纤等材料 虽然可以实现塑料 某些金属或者陶瓷打印 但打印的材料都是比较昂贵和稀缺的 另外 打印机也还没有达到成熟的水平 无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料 虽然研究者们在一些打印材料上已经取得了一定的进展 但除非这些进展达到成熟并有效 否则材料依然会是3D打印的一大障碍 打印机器的限制 3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平 几乎任何静态的形状都可以被打印出来 但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了 但最基本的困难在于尺寸 2维打印大家都常用 一个最根本的常识就是 输出尺寸越大 打印机本身就越大 那么打印机的喷头活动范围要能够覆盖全幅的输出尺寸 那么必然会大一圈 在3维打印领域 这意味着 如果打印住宅则打印机需要比你的住宅大一圈 机器越大越难制造 更重要的是机器越大 打印精度和打印速度就会越差 所以现阶段解决3