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什么是3D建筑打印?一文讀懂!

2024年04月23日 11:49$artinfo.Reprint點(diǎn)擊量:225

  3D打印是21世紀(jì)最偉大的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新之一。2021年,其全球市場(chǎng)價(jià)值達(dá)到1.9億美元,預(yù)計(jì)到2030年將增至6.8億美元。影響這一增長(zhǎng)的最大因素是人們對(duì)該行業(yè)產(chǎn)生的廢物的環(huán)保擔(dān)憂日益增加、使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)定制和架構(gòu)靈活性的可能性以及快速創(chuàng)建模型和原型。
 
  隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展,采用和增長(zhǎng)的可能性也在增加,到2028年,其復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)預(yù)計(jì)將達(dá)到91.5%。
 
  建筑業(yè)中的3D打印是什么?
 
  3D建筑打印(3DCP或3DP)是指利用3D打印機(jī)制造建筑元素或整個(gè)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化過(guò)程。
 
  然而,3DCP并不像我們習(xí)慣使用的傳統(tǒng)打印機(jī)那樣使用墨水,而是一層一層地打印建筑材料,這也是3DCP被稱(chēng)為增材制造或增材建筑的原因。它既可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,也可以在非現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。
 
  3D打印如何在建筑領(lǐng)域發(fā)揮作用?
 
  自20世紀(jì)80年代以來(lái),3D打印技術(shù)曾多次受到質(zhì)疑。然而,由于該技術(shù)本身的改進(jìn),它已獲得更大的意義,該技術(shù)允許通過(guò)疊加連續(xù)的材料層來(lái)創(chuàng)建三維物體。這種建筑方法用途廣泛,可以幫助創(chuàng)建項(xiàng)目的特定組件,甚至可以創(chuàng)建各種類(lèi)型的復(fù)雜結(jié)構(gòu),例如房屋或居住空間、辦公室、橋梁、墻壁、模塊化結(jié)構(gòu)、加固模具、柱子、城市家具甚至裝飾元素。
 
  在建筑行業(yè),使這項(xiàng)技術(shù)發(fā)揮作用所需的大部分信息來(lái)自設(shè)計(jì)過(guò)程。由于該行業(yè)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)輔助制造過(guò)程中擁有經(jīng)驗(yàn),并且BIM(建筑信息模型)在建筑行業(yè)繼續(xù)蓬勃發(fā)展,因此3D打印技術(shù)的集成并不復(fù)雜。使用CAD或BIM程序,3D打印機(jī)可以接收需要打印的內(nèi)容的信息,然后機(jī)器開(kāi)始根據(jù)指示疊加材料層。這可以用各種材料來(lái)完成,最常見(jiàn)的是混凝土、土工聚合物、纖維和沙子的混合物。
 
  根據(jù)ResearchandMarkets的一項(xiàng)研究,3D打印在過(guò)去十年中發(fā)展勢(shì)頭良好,預(yù)計(jì)到2028年其在建筑市場(chǎng)的價(jià)值將達(dá)到10.3億美元。這意味著2021年至2028年期間其復(fù)合年增長(zhǎng)率將增長(zhǎng)91.5%。
 
  3D打印在建筑行業(yè)的好處
 
  3D打印為建筑行業(yè)帶來(lái)了巨大的好處,它是一種幾乎涉及該行業(yè)價(jià)值鏈所有領(lǐng)域的解決方案。從對(duì)可持續(xù)性的貢獻(xiàn)、提高生產(chǎn)力到支持供應(yīng)鏈挑戰(zhàn),這項(xiàng)技術(shù)改變了我們的建筑方式。
 
  減少時(shí)間
 
  采用傳統(tǒng)的施工方法,一個(gè)項(xiàng)目可能需要數(shù)月才能完成,大型項(xiàng)目通常比預(yù)期耗時(shí)長(zhǎng)20%,成本超出初始預(yù)算80%。然而,3D打印可以將時(shí)間縮短70%,一個(gè)項(xiàng)目可以在幾小時(shí)或幾天內(nèi)完成,具體取決于其規(guī)模。因此,承包商可以承接更多項(xiàng)目,從而增加收入來(lái)源。
 
  更具成本效益和可持續(xù)性
 
  3D打印可以精確計(jì)算用于提升結(jié)構(gòu)的材料量,從而減少施工現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的廢物60%。同樣,如果采購(gòu)和后續(xù)存儲(chǔ)成本降低,材料采購(gòu)也不會(huì)有剩余。
 
  通過(guò)減少時(shí)間和成本,企業(yè)將看到這項(xiàng)技術(shù)帶來(lái)的好處呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),這對(duì)需要項(xiàng)目和勞動(dòng)力短缺的地方也有很大的幫助。通過(guò)3D打印機(jī)自動(dòng)創(chuàng)建結(jié)構(gòu),企業(yè)可以看到勞動(dòng)力成本減少高達(dá)80%。
 
  更安全
 
  美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局(OSHA)報(bào)告稱(chēng),每年建筑工地上有十分之一的工人受傷,其中跌倒和與設(shè)備的錯(cuò)誤接觸是主要原因。
 
  3D打印為建筑業(yè)帶來(lái)的最重要的好處之一是現(xiàn)場(chǎng)員工的健康和安全。通過(guò)了解如何有效地使用打印機(jī),工人可以更輕松地完成工作并減少現(xiàn)場(chǎng)傷害。
 
  設(shè)計(jì)靈活性
 
  設(shè)計(jì)的最后一刻的更改將不再是問(wèn)題,也不會(huì)延遲施工過(guò)程。3D打印允許在開(kāi)始打印結(jié)構(gòu)之前自定義工作,從而消除了這些更改帶來(lái)的所有麻煩。
 
  3D打印在建筑領(lǐng)域的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
 
  盡管隨著越來(lái)越多的企業(yè)投資3D打印技術(shù),其在建筑領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)將不斷擴(kuò)大,但實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)上更廣泛地采用這種方法仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
 
  以下重點(diǎn)介紹了幾點(diǎn),這些要點(diǎn)使這項(xiàng)技術(shù)在行業(yè)專(zhuān)業(yè)人士中更加流行,以及為什么大企業(yè)仍然對(duì)此持懷疑態(tài)度:
 
  盡管3D打印本身在建筑方面更具成本效益,但所需機(jī)器的購(gòu)置和操作成本仍然非常高,大企業(yè)仍然沒(méi)有大力投資。
 
  該行業(yè)需要培養(yǎng)更多訓(xùn)練有素的專(zhuān)業(yè)人員,使之能夠掌握3D打印背后的技術(shù),并接受設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)模型、操作設(shè)備和提供適當(dāng)維護(hù)的培訓(xùn)。
 
  建筑業(yè)需要更多的法規(guī)和立法來(lái)規(guī)范3D打印,以便為其在新建筑工地上的使用和實(shí)施帶來(lái)的好處提供明確的指導(dǎo)。
 
  同樣,打印機(jī)的尺寸和開(kāi)發(fā)也是一個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)槭袌?chǎng)上出現(xiàn)的許多型號(hào)都將其用途限制在要打印結(jié)構(gòu)的尺寸上。
 
  此外,打印混合物的材料或配方是3D打印作為一種建筑方法脫穎而出的主要限制因素之一。打印材料必須具有所需的打印能力,才能從噴嘴中擠出,并且具有可構(gòu)建性,才能保持其形狀并快速維持自身。
 
  且,由于打印材料的時(shí)間有限,因此開(kāi)放時(shí)間(即打印和可構(gòu)建性在可接受的公差范圍內(nèi)保持一致的時(shí)間)成為主要挑戰(zhàn)。這一過(guò)程中的任何延遲都可能導(dǎo)致混凝土變硬并阻礙工作。
 
  3D打印機(jī)的類(lèi)型
 
  機(jī)械臂
 
  自動(dòng)控制的打印機(jī),允許自由移動(dòng)和靈活安排多項(xiàng)任務(wù)。與其他3D打印方法相比,該臂能夠從多個(gè)角度進(jìn)行打印,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀和曲線,并且可以打印更大的尺寸。
 
  龍門(mén)系統(tǒng)
 
  輪廓法標(biāo)志著3D打印在建筑領(lǐng)域的開(kāi)始。該過(guò)程將建筑材料沉積以形成3D模型,并創(chuàng)建具有光滑表面的大型結(jié)構(gòu)。它與放置在建筑物地板周?chē)能壍琅浜鲜褂茫@些軌道作為引導(dǎo)機(jī)械臂逐層應(yīng)用混凝土的指南。
 
  3D打印技術(shù)在建筑中的應(yīng)用
 
  方法
 
  目前還沒(méi)有一種萬(wàn)能的3D打印建筑技術(shù)。根據(jù)項(xiàng)目的具體情況,可以采用不同的打印方法。以下是最常見(jiàn)的方法:
 
  擠壓:擠壓是最常見(jiàn)的3D打印技術(shù),因?yàn)樗鼛缀蹩梢栽谒协h(huán)境中使用。這種方法通常用于建模、原型設(shè)計(jì)和生產(chǎn)應(yīng)用,通過(guò)安裝在機(jī)械臂、龍門(mén)系統(tǒng)或起重機(jī)上的一個(gè)或多個(gè)噴嘴來(lái)回分層材料來(lái)創(chuàng)建物體。
 
  粉末粘接:與其他3D打印機(jī)構(gòu)造方法相反,粉末粘接使用粉末狀原材料作為其主要成分。有兩種方法:粉末床噴射和粘合劑噴射。第一種方法的特點(diǎn)是使用激光逐層熔化所需物體上的灰塵顆粒,而涂層片則為每個(gè)新層添加更多材料。另一方面,粘合劑噴射使用打印頭在粉末打印床上沉積液體粘合劑。液體將粉末顆粒粘合在一起,形成所需物體的每一層。然后添加新的層,并逐層重復(fù)該過(guò)程。這種方法可以以更高的精度進(jìn)行打印,并可以處理更復(fù)雜的打印。
 
  噴涂:自主機(jī)器人在壓力下將建筑材料噴涂成所需的形狀,并逐層重復(fù)該過(guò)程。這種方法可以用混凝土填充結(jié)構(gòu)空間,目前正在研究將其用于垂直和突出的應(yīng)用,例如外墻或天花板裝飾。
 
  材料
 
  一旦選擇了3D打印施工方法,就該選擇要使用的材料了。建筑3D打印的最新進(jìn)展增加了可用的不同材料的數(shù)量。所選材料應(yīng)取決于相關(guān)項(xiàng)目的類(lèi)型,但最常用的材料是:
 
  專(zhuān)有混凝土混合物;
 
  砂漿;
 
  塑料;
 
  金屬;
 
  當(dāng)?shù)靥烊徊牧?石頭、沙子、泥土、稻米廢料等)。
 
  全球建筑業(yè)的3D打印
 
  對(duì)建筑和更好基礎(chǔ)設(shè)施的需求正在增長(zhǎng),尤其是在大城市。1800年,只有3%的人口居住在城市地區(qū);到1900年,居住在城市的總?cè)丝谠黾拥?5%;而如今,居住在城市地區(qū)的人口已達(dá)到55%。世界經(jīng)濟(jì)論壇預(yù)測(cè),到2050年,三分之二的人口將居住在大城市。
 
  全球范圍內(nèi),有許多政府措施鼓勵(lì)在建筑中實(shí)施3D打印。許多城市都在競(jìng)相爭(zhēng)取勝利,迪拜是其中的佼佼者,到2030年,迪拜25%的建筑必須采用3D打印技術(shù)建造。
 
  這項(xiàng)技術(shù)在全球的情況如何?
 
  美國(guó)
 
  美國(guó)是第一個(gè)在建筑領(lǐng)域投資3D打印技術(shù)的國(guó)家,并且在北美地區(qū)3D打印項(xiàng)目數(shù)量上處于領(lǐng)先地位。
 
  美國(guó)海軍和美國(guó)國(guó)家航空航天局等大型組織都參與了北美的項(xiàng)目。
 
  墨西哥是拉美地區(qū)項(xiàng)目最多的國(guó)家。
 
  歐洲
 
  其開(kāi)發(fā)項(xiàng)目數(shù)量位居全球首位,其中荷蘭是研發(fā)(R&D)的主要節(jié)點(diǎn)。
 
  近年來(lái),法國(guó)、德國(guó)、西班牙、英國(guó)和意大利的地位日益突出。
 
  大學(xué)在建筑3D打印研發(fā)工作中發(fā)揮著重要作用,并與企業(yè)一起參與其實(shí)施。
 
  它們提高了環(huán)境效益和可持續(xù)效益。
 
  亞洲和中東
 
  2020年,建筑3D打印市場(chǎng)的38%份額來(lái)自亞太地區(qū),這主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)該領(lǐng)域的機(jī)遇豐厚。
 
  迪拜政府僅使用3D打印就建造了世界上最大的政府大樓,該政府承諾到2030年25%的新建筑將采用該技術(shù)建造。
 
  中國(guó)是該技術(shù)開(kāi)發(fā)的先驅(qū),但近年來(lái)其他國(guó)家也紛紛效仿,日本成為該技術(shù)開(kāi)發(fā)和實(shí)施最有前景的國(guó)家之一。
 
  大多數(shù)項(xiàng)目都被認(rèn)為是商業(yè)性的,大學(xué)在技術(shù)發(fā)展中變得越來(lái)越重要。
 
  除了房屋,還打印其他結(jié)構(gòu)和原型,例如橋梁。
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