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。
