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3D打印技術(shù)在建筑材料領(lǐng)域的應用論文
13D打印技術(shù)簡(jiǎn)介
3D打印技術(shù)不同于傳統的打印技術(shù)，在該技術(shù)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(guò)噴嘴將材料擠出，經(jīng)過(guò)逐層打印的方式來(lái)構造物體。之所以稱(chēng)其為3D打印，是因為其參照了打印機的技術(shù)原理，加工過(guò)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(shí)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(shù)和成本的影響，這一技術(shù)并沒(méi)有取得長(cháng)足的進(jìn)步和發(fā)展。隨著(zhù)科技水平的不斷提高，時(shí)代變遷和發(fā)展，邊緣技術(shù)的完善，3D技術(shù)取得了明顯的進(jìn)步，從新世紀伊始，我國3D打印的專(zhuān)利數量快速增長(cháng)，表明我國的3D打印技術(shù)正處于極具前景的快速發(fā)展時(shí)期。目前，我國的3D打印技術(shù)雖然學(xué)術(shù)水平較高，但存在應用較少的問(wèn)題，原材料的制約是限制3D打印產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一重要原因。
2適用于3D打印的建筑材料
建筑業(yè)發(fā)展至今，所應用到的建筑材料有成千上萬(wàn)種，但是適用于3D打印技術(shù)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(guò)實(shí)驗研究發(fā)現，塑料和樹(shù)脂類(lèi)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(shù)脂砂漿類(lèi)，粘土類(lèi)和混凝土類(lèi)等材料，通過(guò)一定的技術(shù)處理也成功的應用在了3D打印機上。我國最典型的應用是在上海，選擇建筑廢料作為材料，通過(guò)一系列技術(shù)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。
2.1GRG材料
所謂GRG材料，這里指的是通過(guò)采用GRG專(zhuān)用石膏，也就是人們常說(shuō)的超細結晶石膏為基料，將具有專(zhuān)用連續剛性的增強玻璃纖維和它混合制成的產(chǎn)品材料，這種材料目前主要專(zhuān)注于制作異形產(chǎn)品。具有不變形、質(zhì)量輕、強度高、會(huì )呼吸、防火、環(huán)保、聲學(xué)效果好、加工周期短等特點(diǎn)。一般應用于劇院、報告廳、會(huì )展中心、體育場(chǎng)等工程項目，上海世博中心2600人大會(huì )堂就是通過(guò)這種GRG產(chǎn)品建造的。
2.2混凝土類(lèi)材料
通過(guò)將國內外現狀作對比，發(fā)現混凝土類(lèi)材料無(wú)論是在傳統建筑生產(chǎn)還是新型3D技術(shù)領(lǐng)域里，都是主要使用材料之一。由于混凝土類(lèi)材料具有較高的可塑性，在打印過(guò)程中無(wú)需支模，其工作過(guò)程是在電腦控制下將配置好的混凝土通過(guò)噴頭擠出進(jìn)行打印得到混凝土構件。目前，混凝土類(lèi)材料結合“輪廓工藝”，在3D打印建筑領(lǐng)域得到較多的應用。此外，隨著(zhù)材料科學(xué)和現代電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，3D打印建筑材料的智能化開(kāi)發(fā)也成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。這種材料融入了信息科學(xué)的內容，把感知、尋優(yōu)和控制驅動(dòng)等技術(shù)進(jìn)行融合滲透，使得3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域做到材料結構與智能一體化，同時(shí)具備多種完善的仿生功能，從而使打印建筑物達到適應環(huán)境、調節環(huán)境、材料和結構健康狀況的自診斷和自修復等智能化。
3實(shí)例應用
3D打印技術(shù)自20世紀90年代出現以來(lái)，已在各領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。在建筑領(lǐng)域，結合相關(guān)的建筑材料，國內外也出現了很多比較典型的實(shí)例。在國外，美國加州大學(xué)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(shí)的時(shí)間內建造一棟面積2500平方英尺的建筑。輪廓工藝的特點(diǎn)在于它不需要使用模具，打印機打印出來(lái)的建筑物輪廓將成為建筑物的一部分，研發(fā)者認為這樣將會(huì )大大提升建筑效率。美國明尼蘇達洲一個(gè)名叫AndreyRudenko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(shí)對建筑進(jìn)行分割，分成各個(gè)部分逐一進(jìn)行打印，然后組裝成型。意大利發(fā)明家恩里克迪尼發(fā)明了D型工藝打印機，其底部有數百個(gè)噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)黏合物，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質(zhì)固體，通過(guò)一層層黏合物和砂子的結合，最終形成石質(zhì)建筑物。目前，已成功建造出內曲線(xiàn)、分割體、導管和中空柱等建筑結構。在國內，上海盈創(chuàng )建筑科技有限公司自主研發(fā)了3D打印設備、打印油墨和連續打印技術(shù)，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(jìn)行逐層噴射、循環(huán)打印、快速凝固成型，從而打印房屋。盈創(chuàng )公司開(kāi)發(fā)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(yè)廢料、建筑殘渣以及高標號的水泥進(jìn)行了混合，并用玻璃纖維進(jìn)行了加固。之前打印出的房屋結構件，運到現場(chǎng)后，由工人現場(chǎng)安裝，對于窗戶(hù)和管路等部分，軟件會(huì )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(chuàng )公司運用該技術(shù)在上海青浦打印出了10棟200平的實(shí)體房屋，該批建筑所用材料來(lái)自于建筑廢料，全過(guò)程由計算機操作，大大降低了建筑成本。2015年1月蘇州工業(yè)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(chuàng )新的結構體系，是3D打印建筑領(lǐng)域的一次突破。
4存在問(wèn)題
4.1材料結構性能仍待加強
打印過(guò)程中打印材料需要通過(guò)輸送管道并經(jīng)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(guò)程中上層材料的堆積會(huì )對下層材料形成壓力，如果下層材料在短時(shí)間內沒(méi)有形成足夠的強度，就會(huì )在壓力作用下變形，所以打印材料還應具有較快的初凝時(shí)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(gè)不可避免的問(wèn)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(shí)間以達到正常工藝的要求；若在北方嚴寒天氣，或冬季施工，在零下的溫度下時(shí)，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(zhì)量要求。
4.3建筑的表面粗糙
3D打印技術(shù)類(lèi)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(jìn)行上一層打印，通過(guò)層與層之間的緊密粘結來(lái)保持墻體的整體性。正是因為這種特殊的打印技術(shù)，導致層與層之間不夠光滑，表面粗糙，并且條紋樣式也很簡(jiǎn)單乏味，不夠美觀(guān)。
4.4行業(yè)內缺少相關(guān)規范
3D打印技術(shù)理念的提出在上個(gè)世紀，并在本世紀得以實(shí)現加速發(fā)展。雖然時(shí)間上看，從技術(shù)的理念提出到發(fā)展經(jīng)歷了很長(cháng)時(shí)間，但應用于建筑領(lǐng)域的時(shí)間還很短，目前的建筑行業(yè)并沒(méi)有任何相關(guān)的規范，使用年限和房屋產(chǎn)權是否會(huì )和普通建筑產(chǎn)品一樣，這還待有關(guān)權威部門(mén)的進(jìn)一步認可。
5結論與展望
3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域正屬于起步發(fā)展的階段，3D打印建筑和傳統建筑方式相比，無(wú)論是在人力物力還是進(jìn)度等方面都有很明顯的優(yōu)勢，目前主要限制3D打印技術(shù)在建筑業(yè)的發(fā)展的因素，除了技術(shù)自身的問(wèn)題外，最主要的就是能應用于3D打印技術(shù)的建筑材料種類(lèi)還是不夠復雜，而且具體的材料的強度、硬度、性能等問(wèn)題也需要經(jīng)過(guò)時(shí)間和實(shí)踐的檢驗，才能得出相關(guān)的結論�，F階段，為了發(fā)展3D打印技術(shù)在建筑方面的應用，能做的除了改善打印機的相關(guān)技術(shù)外，還可以通過(guò)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(guò)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(lǐng)域的新興技術(shù)，我們有理由也有信心相信，隨著(zhù)建筑材料的發(fā)展，3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應用會(huì )越來(lái)越好，為人類(lèi)及社會(huì )也會(huì )做出很大的貢獻。
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