3D打印技术在建筑工程领域应用的调研报告(正式版)解析

1、调研报告题 目3D 打印技术在建筑领域的应用院（系）别机电及自动化学院专 业机械制造及其自动化年级课程名称现代制造技术组别任课老师目录第 1 章 调研背景 . 2第 2 章 3D 打印技术国内外发展现状 . 62.1 3D 打印技术国外发展现状 . 62.2 3D 打印技术国内发展现状 . 7第 3 章 3D 打印技术的基本概念和原理 . 93.1 3D 打印技术的基本概念 . 93.2 3D 打印技术的基本原理 . 93.3 3D 打印技术的基本过程 . 103.4 3D 打印技术总结 . 13第 4 章 3D 打印技术在建筑工程领域应用 . 154.1 3D 打印建筑技术 . 154.2

2、国外应用 3D 打印技术的实例 .184.3 国内应用 3D 打印技术的实例 .18第 5 章 3D 打印技术应用的优劣势 .205.1 3D 打印技术的特点.205.2 3D 打印技术应用于建筑业的优势 .215.3 3D 打印技术应用于建筑业所面临的问题 .21第 6 章 3D 打印在建筑工程领域的发展前景 .23第 7 章 3D 打印技术未来发展的主要趋势 . 242第 1 章调研背景最近，以美国著名趋势学家杰里米里夫金为代表的学者关于第三次工业革 命的呼声引起全球范围内的极大关注新一轮的工业革命创建了新的生产方式和 生活方式。第三次工业革命的核心内容是制造业数字化，并将带动全球技术要素

3、及市场要素配置方式的革命性变化。制造业的生产方式正发生着日新月异的变 革，工程建设行业、基础设施行业、制造行业都有一种融合的趋势作为一种突破 传统的建造生产方式以及链接工厂化、信息化生产的新型技术，3D打印正悄然走向建筑业。传统的建筑建造过程速度慢、不安全、成本高，并且施工危险、劳动强度大。 随着技术改进，3D打印技术已经可以打印方形、环形、圆形以及不规则形状的 房屋部件，甚至也有能力打印一整栋房屋。从原理上打印房屋和打印其他物品并无区别，只是改变了材料、尺度。用传统方法建造房屋需要众多步骤，使用3D打印技术就容易得多，具体打印过程如下：先在待建房屋的空地上安装大型 打印设备，该过程大概仅需要

4、两三名工人几个小时时间，该设备外观类似两边有滑轨的巨大行车，根据房屋、维设计图纸，稳定、均匀挤压混凝土，一层一层叠 加打印，与此同时机械手还能进行其他建筑材料的安装，甚至可以做像铺设瓷砖这样的精细活。据估算，建一栋2500平方英尺（约232.2平方米）的房屋仅需20小时左右。这样的3D打印机不仅能打印出一栋房屋，还能够建造一整片房屋， 并且可令房屋呈现样貌多样化。国内目前采用的3D打印建筑原料主要是建筑垃圾、矿山尾矿及工业垃圾，其他材料主要是水泥、钢筋，还有特殊的助剂。房屋 是在工厂内以楼层为单位打印好，切割后再运到现场，拼装楼板则是现场现浇的 以方便运输，目前国内用3D打印技术打印整幢建筑在

5、技术上已没有问题。未来 只要把建筑3D打印机运到施工现场，就可以打印整幢楼房，甚至是一二百米高 的高层建筑。在建筑业中引进3D打印技术是一次巨大的改革创新，今后住户不 仅可以定制家居，还可以定制个性化的房屋，打印多种特殊结构构件，一套房对 应一张设计图，小区内的房屋建筑在整体保持风格协调的基础上不再千篇一律。根据美国技术咨询服务协会WohlersAssociatei发布的2012年度报告，全球3D打印行业在2011年销售额为17. 14亿美元，当前该技术的市场渗透度为8%因此，3报告保守估计3D打印市场机会为214亿美元。 目前，3D打印技术市场的年增长率 为29.4%据预测，该行业的市场规模

6、到2015年将达37亿美元，到2019年将增长到65亿美元年份图 1.23D 打印技术市场规模示意图从行业分布看，目前消费电子领域仍然占主导地位， 约20. 3%;其他主要应用 在汽车、医疗/牙科、工业/商业机器和航空航天领域。3D打印技术行业分布如 图2所示。3D打印技术主要应用功能的分布比例如图3所示。图 1.33D 打印技术行业分布图百万美元100002013201520177000600020196.0% 8,0%4当前，欧洲、美洲和亚洲是3D打印设备的主要需求市场。从2011年设备市 场份额分布来看，北美地区占40.2%位居第一，欧洲地区和亚洲地区紧随其后3D打印设备数量区域分布如图

7、4所示。美国是3D打印设备安装的第一大国，日本处于第图 1.53D 打印设备数量区域分布图 一 装配试验12.1%功能模型18,4%视觉教具铸造摸型8.9%模具原型12.2%研究教育7.0%展示模型7.8%其他1.8%模具零件2.7%直接生产零件19,2%图 1.43D 打印技术应用分布图其他北美402%亚洲26.3%5由于3D打印产品种类丰富，带动了打印材料的快速发展。2001年到2011年,全球打印材料的销售情况如图5所示，除了2009年由于全球经济危机的影响稍有下降外，基本上每年都保持10% 20%勺增长图 1.6 全球 3D 打印材料销售额示意图10O1O09迦08泗7O2006迦50

8、0203迦1O6第 2 章 3D 打印技术国内外发展现状2.1 3D 打印技术国外发展现状经历十多年的探索和发展后3D打印无论在技术、造价，还是应用领域方面 都有了长足的进步。在打印技术方面，目前，主流打印机能够在0.01mm的单层 厚度上实现600dpi分辨率的打印精度，较先进的产品已经具备每小时1英寸以 上的垂直打印速率，并可实现24位色彩的彩色打印。 用于打印的材料涵盖从石 料、 金属到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目 前，已经开发出的可打印材料约为1 4类，可混搭出一百多种耗材。 在造价方面，3D打印机的售价正在迅速降低，MakerBot公司新推出的低端打印

9、机Replicator的售价已经下降到2199美元，高端的Replicator2也仅售2799美元。预计几年 后家用型的3D打印机会降价到100美元以内。3D打印的应用领域正在迅速扩张，在消费电子、航空和汽车制造等行业。3D打印可以以较低的成本和较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精 细的造型。位于纽约的创意消费品公司Quirky支持设计师在线提交设计方案，通过3D打印制成实物，并通过电商网站销售，每年推出六十多种创新产品。在 医疗领域，3D打印被用于制作人体器官的替换材料。2013年初，欧洲的医生和 工程师利用3D打印定制出一个人造下颚以替换病人的受损骨骼，成功地使病人 得以康复。同时

10、，德国的研究人员正在采用3D打印技术制造具有生物相容性的 人造血管。在建筑领域，意大利发明家恩里科.迪尼发明了一台可以用沙子直接 打印立体建筑的巨型3D打印机。在服装和首饰设计领域，2011年，荷兰时尚设 计师Herpen在巴黎时装周上展示了由3D打印技术完成的服装， 开辟了全球时尚 界的新时代。3D打印技术不仅使以往布料难以诠释的立体造型得以完成，更实 现了服装的完全服帖身形订制。 除服装设计外， 讲求时尚外形的家装、 制鞋和艺 术创作都可成为3D打印的用武之地。2011年，Materialse公司提供以14K金和 纯银为原材料的3D打印服务，3D打印技术正成为设计师创作的重要工具。此外,

11、全球第一家3D打印照相馆也于2013年初在日本开业，用户经过拍照、建模、打 印三个阶段，就可以为自己制作一个三维头像。综上所述，我们可以看出3D打印技术已经开始对我们的生活产生全面影响，这项技术所涉及到的产业包括医疗、工业制造、航空、电路板等等多方面，对于 少量生产、个性定制、样品研发等方面有非常大的发展空间。72.2 3D 打印技术国内发展现状自上世纪90年代起，我国的科研机构也已经开始研发自主知识产权的3D打印机，清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、西安交通大学等高校都 取得了不俗成绩，基本与西方发达国家处于同一水平，研制出了多种类型的3D打印装备和材料。 其中，北京航空航天大学率先

12、研发出飞机钛合金大型复杂整体 构件激光成型技术，这是国际上3D打印领域内的重大突破，华中科技大学研发 的大型3D打印机，可通过激光将原材料制造成复杂的工业零部件或生活用品。2012年底，工信部宣布加强顶层设计和统筹规划，以推动3D打印产业化， 并组 织制定发展路线和中长期发展战略，完善3D打印的技术规范与标准。3D打印技术的诸多技术优势在中国的现代工业生产中都可以被充分利用。 中国经济的快速增长， 人们生活水平的快速提高， 使各企业在中国的人力成本随 之增长，所以各企业尤其是技术开发能力比较高的跨国企业，都需要3D打印这样能够替代生产线完成生产任务减少雇员数量的技术。在我国3D打印技术也受 到

13、了国家和各企业的关注，而且我国在3D打印技术研发方面也取得了相当高的 成绩。飞机钛合金大型整体结构件的激光快速成型技术已经达到世界先进水平， 我国是目前世界上唯一能够使用激光快速成型技术制造超过12平方米的复杂钛 合金构件等大型主承力构件的国家，中航集团用3D打印技术制造的飞机零部件 成型达到4X3X2米。这都得益于国家“863”、“973”计划、国家自然科学基金 重点项目等的大力支持， 在此背景下所生产的多种钛合金及Inconel718合金的力 学性能均达到或超过锻造生产零部件的水平， 有效解决了激光快速成形钛合金大 型整体结构件的变形开裂及内部质量控制等两大技术难题，为3D打印技术直接生产

14、零件提供技术支持。近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业 已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队 建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。 目前， 国产3D打印机在打印精度、 打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用 的需求，技术水平有待进一步提升。 在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企 业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具 制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非 自主研发

15、。8第 3 章 3D 打印技术的基本概念和原理3.1 3D 打印技术的基本概念3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造(AM，AdditiveManufacturing)。 作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、 机电 控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识， 具有很高的 科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术 等为一体的复杂机电一体化系统， 主要由高精度机械系统、 数控系统、 喷射系统 和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控

16、制。软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分3D智能数字化技术：是指在3D打印前建立3D数字模型文件的技术，包括3D智能数字化设计即利用计算机 软件制作并模拟实物设计、展现新开发产品的外形、结构、色彩、质感等特色的 过程；除了利用软件设计外也可以使用3D智能数字化扫描，就是利用计算机视 觉、计算机图形学、 模式识别与智能系统、 光机电一体化控制等技术对现实存在 的3D物体进行扫描采集，以获得逼真的数字化重建。3.2 3D 打印技术的基本原理3D打印技术是添加制造技术的一种形式！它采用分层加工、迭加成形，即通 过逐层增加材料来生成3D实体。3D打印机是它的核心设备，3D打印技术是一种 综合性的应

17、用技术，它综合了数字建模、机电控制、信息技术、材料科学与化学 等诸多方面的技术。3D建模是3D打印的前提，3D建模的质量直接决定了3D打印 模型的质量。CAD等矢量建模软件可以实现3D建模，3D打印首先将建立的3D模 型进行分割， 即将模型分割成一层一层的薄片， 薄片的厚度一般为几十微米到几 百微米不等。软件完成分割工序后，3D打印机即可进行喷墨打印。每一层的打印分为两步， 首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水， 然后在胶水上喷洒一层 均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化粘结。 这样在一层胶水一层粉末的交替下， 实体模型将会被粘结起来， 打印完成后， 需要对打印的模型进行后处理， 例如固9化处理

18、、剥离、模型的修整等，最终得到所需要的模型3.3 3D 打印技术的基本过程1、数字化建模3D打印技术的数字化设计主要为通过goSCA之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模 型，也可以使用Blender、AutoCAD三维建模软件从零开始建立三维数字化模型,或是直接使用其他人已做好的3D莫型。3D打印技术使用的软件设计方法主要分 为实体建模和曲面建模。 一般工业设计和制造领域更多使用的是对于规则形状物 体设计非常有效的实体建模方法， 但对于复杂、精细的不规则形状却有些不能很 好胜任，如设计零件外形结构很合适但设计动漫形象却力不从心；

19、 曲面建模刚好 相反，适合设计复杂、精细的不规则形状，却对内部结构无法表达，动漫形象无 需表达内部结构，因此适合使用曲面建模方法。现在设计软件都是可以通过手工 建模同时配合使用两种方法， 得到最理想的设计效果。 从参数化建模、直接建模、 编程式设计、 过程式建模的陆续出现使手工建模越来越简单， 设计效果也越来越 理想。2、切片处理由于描述方式的差异,3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电 脑中以后， 需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理， 即将模型切分成一层 层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。切片软件主要有Cura与Miracl Grue等适合于业余

20、DIY爱好者使用的和由各 大打印机生产商自己开发的如QuickCast、RapidTool等数十种。比如Cura是一款 前台控制软件，其中就包含了切片软件工具和打印软件工具。可对3D模型文件进行切片处理，CAD文件经过软件切片处理就可以得到能被3D打印机识别的Geode控制文件。Geode控制文件包含了控制打印机动作的完整指令步骤。工业 级3D打印机使用的切片软件比如有CatalystEX，这款软件是世界最大的3打印机 生产企业Stratasy应用于Dimension1200es系列打印机，安装在工作台上用于从工 作站中处理要打印的STL文件以及与打印机进行通信。同一公司的另一款产品uPrin

21、t使用的软件也是使用这款软件。现在切片软件的分层算法主要有基于STL模型几何特征分类的分层算法， 基 于几何拓扑信息提取的分层算法， 基于分组切片的分层算法。 其中基于分组切片 的分层算法效率10最高。 基于分组切片的分层算法实际上是 “整体分组排序， 建立 活性三角面片表，局部建立拓扑关系”。算法的实现首先建立分组矩阵，然后生 成活性面片表确定各三角片之间的相邻关系，最后用求交算法生成切片轮廓。3、打印成型技术在3D打印技术各个环节中成型技术是最核心、最关键的部分，成型技术的 优劣直接决定打印的产品质量。目前，较常用的成型技术主要有熔融沉积成型(FDMFusedDepositionModel

22、ing)、三维打印黏结成型(3DP3DPrinte),选择性激 光烧结技术(SLSSelectiveLaserSinterin)g、 直接金属粉末激 光烧结 技术(DMLSDirceMetalLaserSi nteri ng。这些技术的主要区别在于使用的耗材即原材料 不同和固态成型方法不同。FDM(FuseddepositionModeling、的工作原理是将热塑性材料丝在喷头处加热融化，通过喷头底部的微细喷嘴将融化的材料以一定压力喷出， 随喷头移动材 料形成一个层， 一个层打印完成后工作台移动再打印下一个层， 挤出的材料熔结 在上一个层上，这样一层层打印直至完成整个实体。 这种原理的打印机结

23、构简单、 成本低廉、 成型尺寸是所有成型技术中最大的， 但产品表面质量较差， 一般喷嘴 直径为0.2-0.6mm，适合于桌面级和低精度工业产品使用。3DP也叫三维打印黏结成型或喷墨沉积。原理比较像普通的喷墨打印机，由 麻省理工学院开发，成型精度为0.09mm该技术的工作过程是首先在加工平台上 按照层厚精确地铺上一层材料粉末， 按照该层的形状喷头在粉末上喷撒特殊胶水 使粉末固化， 完成一个层的固化后再在完成部分上继续铺粉末， 喷胶水， 直到打 印完成整个实体，然后把未固化的粉末清理回收。SLA光固化立体成型。世界上第一台3D打印机采用这种原理，做出的产品尺 寸精度能达到0.025mm表面细密。液

24、体光敏树脂具有在紫外光束的照射下快速 固化特性，SLAB是利用这种特性用紫外激光束照射装满在槽中的液态光敏树脂， 逐层照射逐层固化最终得到表面细腻精度较高的产品。 这种打印方式适合用于制 作中小型塑料产品， 或者用于制作浇铸模具来替代腊模， 以及作为软模的母模例 如金属喷涂模、环氧树脂模等。SLS称为选择性激光烧结， 是工业使用最多的一种， 制造产品的精度相当于 精密铸造，打印速度比较快，使用材料最广泛，尤其适合于金属打印，其打印产 品与金属零件的机械性能相近， 不适合大型和高精度零件的直接加工， 而且打印 后的零件装配性能很差。工作过程与3DP相似。 同样是对粉末进行加工但成型是 由高强度的

25、CO激光器有选择的扫描，11使粉末温度升高至熔点烧结。要想真正实现3D打印必须首先从建立3D数字模型开始。对于3D数字模型的建 立也就是3D智能数字化技术主要有两种方法：软件设计和扫描成型，汽车的设计 主要就是依靠3D智能数字化设计完成的，这种设计是在传统CADS础上融入了3D计算机图形学、计算机视觉、模式识别与智能系统、机器学习等学科。常用3D设计软件有AutoCAD3DSMax Maya等等，汽车工业需要使用行业效果明显的CATIA欧洲汽车业使用该软件几乎成为标准，包括奔驰、宝马、克莱斯勒和中 国的奇瑞等公司均采用此软件。 在汽车维修中扫描技术也可以帮助生产出内部结 构不算复杂的零部件。3

26、D数字模型建立后如果是汽车设计当然还应该对模型进行 美化，比如仪表台的设计， 设计者可以结合大数据的针对性推荐对仪表台的外观 的设计进行修改，直至完全满意。有了满意的3数字模型下一步就可以打印。4、打印后处理3D打印过程完成之后，需要一些后续处理措施来达到加强模具成型强度及 延长保存时间的目的，其中主要包括静置、强制固化、去粉、包覆等。后处理一般是3D打印的最后工序，目前市面上的3D打印机类型很多，有些东 西必须一次成型，比如有些生物器官打印机。大部分打印刚完成的产品则需要进 行后处理，因为刚完成的产品大部分不光滑或者不完全成型， 特别是有些具有细 弱部分、环形或镂空设计的物体， 打印时需要支

27、撑结构， 有些不光滑部分需要抛 光打磨，有些支撑材料则需要移除， 有些物品则可能会根据需要进行喷漆， 或者 作为部件与其他产品进行焊接或者组装。 后处理的程度一般决定于物体设计的复 杂性以及材料和对性能的要求。采用不同3D打印成型技术生产出来的产品精度也不同； 同一打印方法，打印 参数不同时，精度也不同。比如FDM打印成型方法，如果想要得到比较好的表 面粗糙度或者高解析度， 可以在设定打印参数时选择比较高的打印精度， 但是这 样生产时间会成倍增加，也比较浪费原材料。这种情况下可以选择低精度打印， 然后对打印成品进行打磨、 抛光等后期的机械加工处理， 这样既节约生产时间又 能满足产品精度要求。而

28、对于3DP方法加工的产品打印过程结束之后，需要将打 印的产品静置一段时间， 使得成型的粉末和粘结剂之间通过交联反应、 分子间作 用力等作用完全固化， 尤其是对于以石膏或者水泥为主要成分的粉末。 粉末与水 之间作用是材料硬化成型最重要的过程， 粘结剂的加强作用只是其次， 最后的成 形效果需要一定时间的静置。 当产品粉末与水之间作用完成后， 可根据不同情况 采取加热、真空干燥、紫外光照射等方式使其进一步强化。FDM只能做钻孔、修边、喷漆等处理，更好的表面粗糙度无法满足。12SLS的后处理有高温烧结、热等静压烧结、熔浸、浸渍。用SLS方法打印产 品，打印完成之后硬度完全可以满足要求， 后处理只需要用

29、各种方法将表面粉末 除去，可通过机械振动、微波振动、不同方向风吹等可以除去剩余较少粉末。还 有一种较少采用的方法，就是将产品浸入能溶解散落的粉末的特制溶剂中， 此方 法对固化成型的产品没有影响， 可达到除去多余粉末的目的。去除粉末之外还需 要考虑其长久保存问题，特别是石膏基、陶瓷基等易吸水材料制成的模具，常见 的方法是在模具外面刷一层防水固化胶，增加其强度，防止因吸水而减弱强度。 或者将产品浸入能起保护作用的聚合物中， 比如环氧树脂、 氰基丙烯酸酯、 熔融 石蜡等，也可以喷漆，使产品兼具防水、坚固、美观、不易变形等特点。3.4 3D 打印技术总结通过分析了3D打印技术的基本工作原理和技术特点，

30、以及对FDM、3DP、SLS、DMLS四种打印成型技术的成型原理、设备组成、产品质量的影响因素、 关键技术参数的确定方法、后处理工艺等进行了研究，得到如下结论：（1）3D打印技术是根据离散-堆积理论实现成型的，需要经过数字化建模 切片处理打印后处理等四个过程将概念设计转化成实物产品。（2）四种成型技术中FDM多应用于高分子聚合物材料丝的打印成型，DMLS只能打印金属粉末，其余两种3DP和SLS能够完成对高分子聚合物、陶瓷、金属、 石膏等粉末打印。（3）3D打印技术易于参数的调整和方案的修改、加工工艺简单、设计和加 工周期短， 不需要模具， 非常适合在产品开发阶段、 样品制作、 个性化、小规模、

31、 定制产品的生产。（4）FDM所打印的产品成型尺寸是所有成型技术中最大的，但精度稍低， 打印过程需要支撑， 支撑材料必须具有与成型材料相近的熔融温度。 影响产品精 度的因素主要有喷头温度、成型室温度、分层厚度、材料挤出速度、填充速度、 扫描方式等。（5）3DP具有较高的成型精度，其工作原理类似于喷墨打印机，影响成型 精度的主要因素有喷头到粉层距离、 粉末层厚、喷射和扫描速度、 辊子运动参数、 每层间隔时间。（6）SLS可打印的材料种类多，尤其适合于金属打印，制造工艺简单，可 以直接生产复杂形状零件， 无需支撑结构， 加工精度高。 影响成型质量的因素主 要有激光功率13密度、扫描速度、激光束扫描

32、间距、激光扫描方式、激光器的类型 等。（7）DMLS与SLS相似，但其只能用于金属材料打印。影响成型精度的因素 主要包括材料特性、激光功率密度、扫描间距、分层厚度等。14第 4 章 3D 打印技术在建筑工程领域应用4.1 3D 打印建筑技术目前我国在3D打印建筑领域的研究相对落后，而早在20世纪70年代，欧 美一些发达国家已经开始研究“自动化建筑”自动建造系统的先驱意大利建筑师 但丁 比尼在6岁时提出利用水泥浇筑，逐层建造房屋的设想。1965年，在博洛尼亚，他用时60min,成功地用水泥浇筑出了一座方格房子。他所发明的“比 尼贝壳”以及“比尼庇护所”得到广泛的应用。近年来3D打印的火爆把公众的

33、视线引入到3D打印建筑的身上。英国拉夫 堡大学发起的“自由形式建造”项目（NEDDNFEQ LFB8HEGLHO获得英国工程和 自然科学委员会的资助，在过去4年间，开发出一台添材制造机器，它能用混凝 土打印大型构件；美国麻省理工大学的设计师Neri Oxman将一个机器人手臂改制成3D打印机，使用“混凝土”作为打印材料，她认为很快就能实现3D打印建筑；荷兰建筑事务所（DUS）的建筑师正在利用一台名为Kamermaker的大型3D打印机“建造” 一栋住宅建筑-Canal Hous（如图4-1）；英国的Softkill Design项目、开源建造项目 Wiki House、打印虚拟体育场的瑞 典创

34、新工作室一一WeDo等都在从事3D打印建筑的研究。值得一提的是中国的 上海盈创建筑科技有限公司近日在上海展出利用大型3D打印设备打印出的10间样板房（如图4-2）目前南加利福尼亚大学的贝洛克霍什内维斯教 授发明 的“轮廓工艺”和意大利的工程师恩里克蒂尼发明的D-shap是3D打印建筑技术的代表。15图 4-1Canal House 组装现场1、轮廓工艺从1998年开始，贝洛克教授就一直致力于研究打印房子。他所发明的“轮廓工 艺”是一项通过计算机控制的喷嘴按层挤出材料的建造技术，通过打印出建筑轮廓，并对轮廓内部进行填充来实现房屋建造“打印”设备被安装在龙门吊架上， 它在横梁上能左右移动，而龙门吊

35、架可在设定的导轨上前后移动，“打印”设备通过一个能上下移动的喷嘴挤出半流体的混凝土。 将事先设计好的立体模型载入3D打印系统，打印机就能按照模型在建筑场地上勾勒出一个整体轮廓，喷图 4-2Sample house showed by Winsun Company嘴附带的两个泥刀会自动伸出，规整混凝土的形状，接着缓缓地逐层叠加建筑墙 体，而打印机会根据设计模型自动留出门窗的位置。将打印机和用于运输和就位支承梁的机械臂组合起来，它就能自动安装上支撑梁和天花板，在顶上打印出第2层的楼面，直到完成屋顶和外部结构的细节#和传统的建造过程类似，墙体建 设完成后安装门窗、添加电气、管道和通信等基础设施（见图

36、4-3）。整个建造过程预计只需20h左右，利用“轮廓工艺”就能建造出一幢简单的毛坯房。建造 房屋过程中无需使用模板，快硬水泥在浇筑完后可以迅速实现自我承重。图 4-3 “轮廓工艺”工作示意及打印墙体“轮廓工艺”的特点在于喷嘴附带的泥刀能对打印出来的材料进行平整，使 之形成较光滑的表面。未来打印设备进一步升级的话，可以实现安装管道和电气 设施，甚至也可以实现在打印的墙体内安装钢筋网（见图4-4）“轮廓工艺”的 目标是实现整个结构和附属16构件的自动化建造。 该技术对于建筑师也同样具有吸引力，由于它能建造出单曲率和双曲率造型的建筑，因此特别受追求自由形式的建筑师的青睐。轮廓工艺目前尚处于试验阶段，

37、研发团队已经对各种不同的材料 成功进行了试验，包括塑料、陶瓷、复合材料和混凝土。目前轮廓工艺已经打印 出足尺的结构构件，比如内部结构复杂的墙体或中空墙体（见图4-3）o图 4-4 安装钢筋和管道“轮廓工艺”的另一个潜在用途是用于探索地外环境。美国航天局正在研究 在地外星球上建造的可能性，这种利用地外星球原位材料进行建造的建造模式是 一个非常可行的方式。近年来科学家热衷于探索开发月球，如果从地球运输建筑 材料到月球建造太空基地，可想而知耗资巨大。而实际上可利用月球表层土作为 建造所需的原材料，利用“轮廓工艺”的喷嘴，混合能够发生化学反应凝胶材料，挤出后立刻反应固化#未来也许能见到“轮廓工艺”在月

38、球上打印公路和基地。2、D-shape2010年3月， 意大利人恩里克蒂尼设计出了一种神奇的3D打印机“D-shape” 打印机（见图4-5）o不同于“轮廓工艺”直接使用混凝土为打印材料，“D-shape” 打印机使用原料主要是砂子。当打印机开始工作时，上千个喷嘴中会同时喷出砂 子和镁基胶。这种特制的胶水会将砂子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状。打印机从建筑物底部开始，沿着水平轴梁和4个垂直柱往返移动，逐层 往上，每打印一层仅形成5mm至10mm勺厚度。 然后只需要按照预先设定的形状 一层层喷上这种材料，最终就可以打印一个完整的构筑物或者建筑。 打印机操作 由计算机操控，建造完毕后建

39、筑体的质地类似于大理石，这种新型材料由于其坚固的微结晶结构表现出良好的密实度和抗拉强度，不需要内置钢筋进行加固。打 印建筑比常规建造方法要快， 减少一半的费用， 更重要的是几乎不会产生任何废 弃物。 “D-shape”打印机能够很容易地打印其他建造方式很难实现的高成本曲线 建筑。目前，这种打印机已成17功地建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑 结构。图 4-5 “ D-shape”打印机4.2 国外应用 3D 打印技术的实例2014年年初荷兰DUSS筑工作室计划在阿姆斯特丹3D打印一座全尺寸的运 河房屋。荷兰建筑师将在现场用一个特制的打印机打印房屋的组成部分，预计该工程将在6个月内开工。该

40、特制的3D打印机高3.5米，位于一个集装箱内。每 个建筑部件都将先以1：20的比例打印出来进行检验，再以1：1比例打印。该 团队计划建成一个施工现场作为活动场地， 房屋的第一层和外立面用聚丙烯材料 打印，然而他们希望最终可以在现场使用可以重复利用的生物塑料或塑料来进行 打印。该建筑每个房间的设计都致力于研究特定的主题，比如研究者考虑用“马铃薯粉”作为材料打印厨房。如果在建成后想移走该建筑，也只需将其拆卸成部 分再运到另一个地方拼装（图4-6）。4.3 国内应用 3D 打印技术的实例2014年4月14号，被誉为“全球首批3D打印实用建筑”的房屋在上海青 浦展示。该10栋建筑外表并无特别之处。建筑

41、均是毛坯房，最大的幢两层别墅 长10米、宽6米、高4米。不要一砖一瓦，只要一台3D打印机，就能在24小 时内“兴建”10间房。盈创使用长150米，宽约10米，高6米的大型3D打印18机打印建筑的每一个部件，从大型的混凝土板到内部十字支撑，屋顶由于只能用 一种材料打印的技术局限而非打印部分。 现场3D打印完建筑墙体！结构后再在现 场进行构件拼接。该技术将建筑垃圾变废为宝，减少了建筑工人现场作业量，降 低建筑成本50%还可以实现房型家具私人定制。图 4-6 全尺寸运河房屋19第 5 章 3D 打印技术应用的优劣势5.1 3D 打印技术的特点3D打印技术能快速被人们认识熟悉和使用，很大一部分原因在于

42、这种技术 不是必须要在工厂操作， 在家里只要喜欢完全可以使用桌面打印机打印出个性化 小物品，而且，只要有足够的空间人们可以随心所欲打印现在技术支持的任何物 品，有些开源的设备和软件人们甚至可以自己组装一台3D打印机，而且即使什 么建模方法都不会也完全没问题， 可以扫描得到想要的物品的3D数字模型文件，3D打印照相馆就是这样做的。传统生产过程中一般都要同时用到多种金属加工 方法，使用铸造、锻造、车、铣、刨、磨等生产方式，如果使用铸造方法还要有 相应的模具，要想开发新产品首先就需要开发新模具， 这些都属于减材加工方式， 既浪费原材料又浪费时间，而3D打印技术就省去了这些繁琐的工序，计算机相 关软件

43、都可以帮助直接生成， 任何复杂形状的零件也都可以很快完成打印。 对于 汽车的更新换代更充分体现了研发周期缩短，成本降低，研发过程中原料损耗极 大减少的优势。与传统生产线相比，3D打印技术还拥有以下优势：对于少量、 复杂、个性化较强的产品生产如果使用大规模生产线，前期投入成本过高，3D打印不使用生产线而降低了成本； 增材制造方式也比传统减材制造方式大幅减少 了原材料的浪费；而且，相对于传统铸造、锻造等生产技术，3D打印可以更方 便、快捷、准确、有效地设计出特殊复杂外观形状；另外，依靠良好设计概念和 设计过程，利用3D打印技术可以简化生产制造过程。单个产品的生产效率和生 产成本都成倍提高， 更有助

44、于汽车设计者样车的生产， 如果设计过程中需要更改 数据，重新打印相关零件就可以做到。 这项优势也为个性化产品的定制提供更大 的可行性。现在人们对个性化追求都比较高，不喜欢和别人雷同，限量版，私人 定制都显示了人们喜欢仅此一份的心理。比如现在在日本等国家就很流行用3D打印技术制作的居家摆件或结婚时婚礼上以新娘与新郎的形象制作的人偶。医疗 方面这种个性化的定制就不仅仅是未来个人爱好，而是必须用3D打印技术打印 出来的人体器官高度符合患者的需求可以达到更好的治疗效果。 同时各地政府也 看到了3D打印技术给产业结构调整带来的可能性，多地已经建立了3D打印产业 园区，政府也给予了资金、土地、配套政策上的

45、极大支持。205.2 3D 打印技术应用于建筑业的优势1、降低成本引进3D打印技术后将减少所需要的劳动力，在人工成本越来越高的今天可 以大幅度降低人工成本，甚至当打印整座房屋时，现场劳动力成本可以降到0，尤其适用于新一代农民工高成本的情况。2、 缩短工期使用3D打印技术不需要传统施工材料及施工队，建造几幢简单的毛坯房仅 需要20小时左右。专家预测建一座185平方米的房屋最多用一天时间，是人工 建造速度的几百倍。因此，将3D打印技术引入住宅产业化会大幅度提高生产效 率“加速工期”就目前国内最新打印建筑技术而言，3D打印建筑工期可缩短50%到70%。3、 提高质量3D打印的产品是无缝衔接的，结构稳

46、固性和连接强度远高于传统建筑据测 算3D打印建筑结构的最高强度能达到10000PSI，而传统人工建成的建 筑结构强度一般只有3000PSI。3D打印机可完全听从电脑程序，顺序打印完一层 自动爬上另一层， 比人工建造更加精确， 保证了结构的稳定性； 同时会依据精确 的计算及坚固的材料确保房屋质量。住宅产业化较传统建造方式在房屋质量方面 已经有了提高，改善了房屋渗漏！开裂等一些问题，引进3D打印技术后会更进一 步提高住宅的质量。4、 有利于环境保护相比其他传统的建筑工艺，3D打印建筑技术更加环保.例如建造观景房过程 中不再需要将水泥和木材运输至建筑工地， 每一个设计只需要少量的原材料， 因 此使用

47、原材料减少从而减少了浪费， 并且所有材料都可以熔化回收利用。 甚至可 以用3D打印机打印太阳能电池板直接铺于房屋外层。近日在上海展出的十栋打 印房屋所采用的材料就是建筑垃圾，大大节约了建筑材料的浪费和废弃。因此， 将3D打印技术应用于住宅产业化将更加有利于环境保护。5.3 3D 打印技术应用于建筑业所面临的问题1、打印材料 目前广泛应用的建筑材料混凝土抗压性能良好， 抗拉性能却较差， 因此尽管 英国的阿斯普丁在1824年就发明了波特兰水泥，但混凝土结构的大规模应用直 到钢21筋的出现才得以实现。 现在的钢筋混凝土结构体系中， 在构件的受拉部位布 置钢筋用以承受拉力。 混凝土材料受压，钢筋受拉，

48、两者协同工作形成一个整体。 如采用单一打印材料，对以承受压力为主的墙柱构件在大部分条件下是合适的，墙柱构件只有在大偏心受压的情况下才会出现边缘混凝土受拉，但对于梁板等受 弯构件还是不适合的。寻找具有良好抗压$抗拉性能，较强的抗裂性能和韧性以 及较快的初凝时间和较高的初凝强度的复合打印材料是当前3D打印技术在建筑 工程施工中应用的关键。2、设计方法目前3D打印建造技术在工程施工中的应用还属于探索阶段，没有成熟的设计理 论和方法可以借鉴。由于3D打印建筑与传统的钢筋混凝土结构和砌体结构在材 料性能和建造工艺上有较大区别， 因此需要在借鉴现有规范的基础上研究适合于3D打印建筑的设计理论和设计方法。3、施工工艺3D打印建造技术作为一种全新的施工方法，与传统的施工方法相比有诸多的不 同点，其在施工工艺方面存在支撑问题、找平问题、配筋问题等诸多问题22第 6 章 3D 打印在建筑工程领域的发展前景根据国际快