3D打印是21世紀最偉大的技術進步和創新之一。2021年，其全球市場價值達到1.9億美元，預計到2030年將增至6.8億美元。影響這一增長的最大因素是人們對該行業產生的廢物的環保擔憂日益增加、使用該技術實現定制和架構靈活性的可能性以及快速創建模型和原型。
隨著該技術的不斷發展，采用和增長的可能性也在增加，到2028年，其復合年增長率(CAGR)預計將達到91.5%。
建筑業中的3D打印是什么？
3D建筑打印(3DCP或3DP)是指利用3D打印機制造建筑元素或整個結構的自動化過程。
然而，3DCP并不像我們習慣使用的傳統打印機那樣使用墨水，而是一層一層地打印建筑材料，這也是3DCP被稱為增材制造或增材建筑的原因。它既可以在現場進行，也可以在非現場進行。
3D打印如何在建筑領域發揮作用？
自20世紀80年代以來，3D打印技術曾多次受到質疑。然而，由于該技術本身的改進，它已獲得更大的意義，該技術允許通過疊加連續的材料層來創建三維物體。這種建筑方法用途廣泛，可以幫助創建項目的特定組件，甚至可以創建各種類型的復雜結構，例如房屋或居住空間、辦公室、橋梁、墻壁、模塊化結構、加固模具、柱子、城市家具甚至裝飾元素。
在建筑行業，使這項技術發揮作用所需的大部分信息來自設計過程。由于該行業已經在計算機輔助制造過程中擁有經驗，并且BIM(建筑信息模型)在建筑行業繼續蓬勃發展，因此3D打印技術的集成并不復雜。使用CAD或BIM程序，3D打印機可以接收需要打印的內容的信息，然后機器開始根據指示疊加材料層。這可以用各種材料來完成，最常見的是混凝土、土工聚合物、纖維和沙子的混合物。
根據ResearchandMarkets的一項研究，3D打印在過去十年中發展勢頭良好，預計到2028年其在建筑市場的價值將達到10.3億美元。這意味著2021年至2028年期間其復合年增長率將增長91.5%。
3D打印在建筑行業的好處
3D打印為建筑行業帶來了巨大的好處，它是一種幾乎涉及該行業價值鏈所有領域的解決方案。從對可持續性的貢獻、提高生產力到支持供應鏈挑戰，這項技術改變了我們的建筑方式。
減少時間
采用傳統的施工方法，一個項目可能需要數月才能完成，大型項目通常比預期耗時長20%，成本超出初始預算80%。然而，3D打印可以將時間縮短70%，一個項目可以在幾小時或幾天內完成，具體取決于其規模。因此，承包商可以承接更多項目，從而增加收入來源。
更具成本效益和可持續性
3D打印可以精確計算用于提升結構的材料量，從而減少施工現場產生的廢物60%。同樣，如果采購和后續存儲成本降低，材料采購也不會有剩余。
通過減少時間和成本，企業將看到這項技術帶來的好處呈指數級增長，這對需要項目和勞動力短缺的地方也有很大的幫助。通過3D打印機自動創建結構，企業可以看到勞動力成本減少高達80%。
更安全
美國職業安全與健康管理局(OSHA)報告稱，每年建筑工地上有十分之一的工人受傷，其中跌倒和與設備的錯誤接觸是主要原因。
3D打印為建筑業帶來的最重要的好處之一是現場員工的健康和安全。通過了解如何有效地使用打印機，工人可以更輕松地完成工作并減少現場傷害。
設計靈活性
設計的最后一刻的更改將不再是問題，也不會延遲施工過程。3D打印允許在開始打印結構之前自定義工作，從而消除了這些更改帶來的所有麻煩。
3D打印在建筑領域的機遇與挑戰
盡管隨著越來越多的企業投資3D打印技術，其在建筑領域的優勢將不斷擴大，但實現市場上更廣泛地采用這種方法仍然是一個挑戰。
以下重點介紹了幾點，這些要點使這項技術在行業專業人士中更加流行，以及為什么大企業仍然對此持懷疑態度：
盡管3D打印本身在建筑方面更具成本效益，但所需機器的購置和操作成本仍然非常高，大企業仍然沒有大力投資。
該行業需要培養更多訓練有素的專業人員，使之能夠掌握3D打印背后的技術，并接受設計計算機模型、操作設備和提供適當維護的培訓。
建筑業需要更多的法規和立法來規范3D打印，以便為其在新建筑工地上的使用和實施帶來的好處提供明確的指導。
同樣，打印機的尺寸和開發也是一個挑戰，因為市場上出現的許多型號都將其用途限制在要打印結構的尺寸上。
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，由于打印材料的時間有限，因此開放時間(即打印和可構建性在可接受的公差范圍內保持一致的時間)成為主要挑戰。這一過程中的任何延遲都可能導致混凝土變硬并阻礙工作。
3D打印機的類型
機械臂
自動控制的打印機，允許自由移動和靈活安排多項任務。與其他3D打印方法相比，該臂能夠從多個角度進行打印，可以實現復雜的幾何形狀和曲線，并且可以打印更大的尺寸。
龍門系統
輪廓法標志著3D打印在建筑領域的開始。該過程將建筑材料沉積以形成3D模型，并創建具有光滑表面的大型結構。它與放置在建筑物地板周圍的軌道配合使用，這些軌道作為引導機械臂逐層應用混凝土的指南。
3D打印技術在建筑中的應用
方法
目前還沒有一種萬能的3D打印建筑技術。根據項目的具體情況，可以采用不同的打印方法。以下是最常見的方法：
擠壓：擠壓是最常見的3D打印技術，因為它幾乎可以在所有環境中使用。這種方法通常用于建模、原型設計和生產應用，通過安裝在機械臂、龍門系統或起重機上的一個或多個噴嘴來回分層材料來創建物體。
粉末粘接：與其他3D打印機構造方法相反，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，并逐層重復該過程。這種方法可以以更高的精度進行打印，并可以處理更復雜的打印。
噴涂：自主機器人在壓力下將建筑材料噴涂成所需的形狀，并逐層重復該過程。這種方法可以用混凝土填充結構空間，目前正在研究將其用于垂直和突出的應用，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打印的最新進展增加了可用的不同材料的數量。所選材料應取決于相關項目的類型，但最常用的材料是：
專有混凝土混合物；
砂漿；
塑料；
金屬；
當地天然材料(石頭、沙子、泥土、稻米廢料等)。
全球建筑業的3D打印
對建筑和更好基礎設施的需求正在增長，尤其是在大城市。1800年，只有3%的人口居住在城市地區；到1900年，居住在城市的總人口增加到15%；而如今，居住在城市地區的人口已達到55%。世界經濟論壇預測，到2050年，三分之二的人口將居住在大城市。
全球范圍內，有許多政府措施鼓勵在建筑中實施3D打印。許多城市都在競相爭取勝利，迪拜是其中的佼佼者，到2030年，迪拜25%的建筑必須采用3D打印技術建造。
這項技術在全球的情況如何？
美國
美國是第一個在建筑領域投資3D打印技術的國家，并且在北美地區3D打印項目數量上處于領先地位。
美國海軍和美國國家航空航天局等大型組織都參與了北美的項目。
墨西哥是拉美地區項目最多的國家。
歐洲
其開發項目數量位居全球首位，其中荷蘭是研發(R&D)的主要節點。
近年來，法國、德國、西班牙、英國和意大利的地位日益突出。
大學在建筑3D打印研發工作中發揮著重要作用，并與企業一起參與其實施。
它們提高了環境效益和可持續效益。
亞洲和中東
2020年，建筑3D打印市場的38%份額來自亞太地區，這主要是因為該地區該領域的機遇豐厚。
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建造。
中國是該技術開發的先驅，但近年來其他國家也紛紛效仿，日本成為該技術開發和實施最有前景的國家之一。
大多數項目都被認為是商業性的，大學在技術發展中變得越來越重要。
除了房屋，還打印其他結構和原型，例如橋梁。
