建筑行业准备好进行 3D 打印了吗？ （2020 更新）

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建筑行业可能是最新采用 3D 打印作为可行制造技术的行业。但该技术具有通过减少生产时间和成本，同时提供设计灵活性和高度可持续性来改变行业的巨大潜力。

正如我们的成熟度图表中所强调的那样，该图表探索了 3D 打印如何跨行业发展，建筑领域的 3D 打印仍然是一种相对新颖的方法，在它实现之前还有许多挑战需要克服被广泛采用。

要了解有关建筑行业 3D 打印现状的更多信息，我们将探索工程师和建筑师可用的 3D 打印的关键优势和技术，以及最激动人心的建筑 3D 打印项目。

建筑行业如何从 3D 打印中受益？

在建筑行业积极寻求解决方案以应对一系列挑战的时候，建筑行业已经开始接受 3D 打印。

一是尽量减少建筑垃圾。例如，建筑垃圾约占欧盟产生的所有垃圾的 30%。

此外，工程师和建筑师越来越多地面临铸造工艺在设计自由度方面的限制。

其他问题包括在工作现场制造模板的缺陷以及将各种材料从一个地点运输到另一个地点的障碍。

在建筑行业使用 3D 打印可以通过提供设计自由度和更高水平的可持续性和自动化来帮助解决其中的一些问题。

设计灵活性

3D 打印为建筑师、工程师和设计师提供了广阔的创新空间。使用这种技术可以构建传统施工方法可能无法实现的复杂设计和曲线。

减少材料浪费

减少材料浪费是另一个好处，因为增材制造 (AM) 使用项目所需的精确材料量逐层构建零件。这可能会对环境产生积极的影响，尤其是因为 3D 打印可以使用回收和本地采购的材料。

减少人工工作

在建筑中使用自主或半自主 3D 打印机可能意味着减少劳动密集型的手工工作。打印过程的自动化也意味着减少人为错误或建筑工地事故和伤害的机会。

更快的构建

一些建筑 3D 打印机设计用于现场工作。这有助于消除几个耗时的步骤，例如制作预制模板。

在建筑中，模板是指在其中浇注混凝土并成型的临时模具。模板用于创建从桥梁到地基和建筑物墙壁的任何东西，通常是手工制作的。

如今，有几家公司提供可用于直接在现场建造墙壁的 3D 打印机，而无需使用模板。这导致显着加快施工过程，这也受益于减少模板运输到施工现场的费用。

建筑领域的 3D 打印技术

根据应用的不同，可以在施工中使用几种不同的增材制造方法：

混凝土挤压

使用的主要方法之一是膏体挤出，它涉及使用配备喷嘴的机械臂或起重机将膏体形式的混凝土挤出到构建平台上。

这逐层创建了建筑物的轮廓，类似于流行的塑料熔丝制造 (FFF) 技术。

该技术是挤出工艺的早期先驱建筑行业的创始人是 Contour Crafting 的创始人 Bherokh Khoshnevis。 Contour Crafting 开发的技术提供了一系列材料，包括混凝土、陶瓷和聚合物。

除了 Contour Crafting 之外，其他公司也提供混凝土 3D 打印解决方案，例如 ICON、CyBE 和 Apis Cor ，仅举几例。

电弧增材制造

电弧增材制造 (WAAM) 是一种用于金属应用的方法。

WAAM 的工作原理是使用电弧作为热源熔化金属线。该过程由机械臂控制，形状建立在基板材料（底板）上，一旦完成，零件就可以从该材料上切割下来。

线材熔化后被挤出基板上的珠子形式。当珠子粘在一起时，它们会形成一层金属材料。然后逐层重复该过程，直到完成金属部件。

WAAM 设备可以处理多种金属，例如铝、钢和钛，并且该技术可用于制造大型结构。这种方法的可能性的一个例子是 MX3D 的钢桥。

砂浆喷射

粘合剂喷射可用于建筑中以创建模具。该技术的工作原理是将液体粘合剂涂在粉末材料层上，从而将其粘合起来。

粘结剂喷射特别适用于生产用于混凝土浇筑的模板元件。这种方法不仅有助于节省资源，而且有助于节省时间和成本。

另一个优点是，当使用粘合剂喷射 3D 打印模板时，复杂性不再起作用。可以轻松 3D 打印曲率、详细的外墙或底切，从而突破建筑设计的界限。

最令人兴奋的建筑 3D 打印示例

3D 打印墙

近年来，几家公司开发了使用 3D 打印技术建造建筑物墙壁的方法。一个这样的例子是总部位于中国的盈创公司，它生产了大型建筑，例如一栋五层公寓楼和一栋 12,000 平方英尺（1,100 平方米）的别墅。

一台大型机器 - 超过 100 米长 - 由水泥、沙子和纤维混合物制成的 3D 打印空心墙。墙壁被运到施工现场，加固和组装。这种方法的潜力可以显着节省时间、劳动力和材料。

迪拜的建筑 3D 打印

虽然世界各地有许多 3D 建筑项目，但迪拜目前是建筑 3D 打印活动的温床。该市制定了雄心勃勃的目标，即在不久的将来使用 3D 打印建造 25% 的建筑物。

而且该领域的进展已经很明显。

例如，2019 年，美国混凝土 3D 打印机制造商 Apis Cor 与迪拜市政府合作建造一座具有两层楼和一些非常复杂的建筑的建筑。

Apis Cor 开发了一种基于石膏的材料，可以通过打印机运行，该材料来自当地生产商。

据报道，这座建筑是在 on 的帮助下建造的最大的建筑之一。 -现场3D打印。

桥梁

使用 3D 打印建造桥梁是建筑行业的又一应用。

马德里是第一座 3D 打印混凝土桥的所在地，而荷兰则建造了一座 8 米长的 3D 打印自行车桥。机器人制作桥梁混凝土砌块的过程总共需要 3 个月时间，由 800 层组成，然后组装成桥梁。

此外，荷兰的荷兰机器人初创公司MX3D 正在开发配备传感器等智能技术的 3D 打印钢桥。

由不锈钢制成，桥的弯曲结构展示了 AM 提供的设计自由。

2019 年，MX3D 桥梁通过了 20 吨的第一阶段测试，并将于今年晚些时候通过阿姆斯特丹运河到达最终目的地。

室内设计

创造复杂、错综复杂的几何图形的可能性为室内设计师开辟了一个全新的创造力范围。最近的一个例子是 Bottlepot——一家伦敦商店，内部使用可持续材料进行 3D 打印。该项目展示了如何使用 3D 打印来减少建筑中的浪费并塑造可持续设计的未来。

建筑模型

建筑模型中 3D 打印的最大影响之一是建筑模型的制作。 3D 打印通过实现快速和数字化的模型制作过程，彻底改变了建筑建模过程。

另外一个好处是 3D 打印允许快速且具有成本效益的设计迭代，节省大量时间并降低过程中的成本。

构建组件

事实证明，3D 打印还适用于制造建筑中使用的特定组件和工具。

英国承包商 Skanska 是最早使用 3D 打印制造建筑组件的公司之一

在一个项目中，Skanska 使用 3D 打印为伦敦 6 Bevis Marks 商业中心的屋顶生产聚合物覆层节点。在节省时间和成本方面，这种方法引入了比传统技术更有利的替代方案。

3D 打印模板

另一个例子是在纽约市一栋 42 层住宅和商业建筑的大型改造项目中使用 3D 打印模板。

Gate Precast，一家一直在工作的公司在建筑物的新立面上，发现为该项目制作木制模具将是一项重大任务，可能需要长达 9 个月的时间才能完成。所需的模具很大 - 其中一些尺寸高达 2.6 x 1.7 x 0.5 m，进一步延长了生产时间。

为了加快流程，该公司决定尝试 3D 打印，与橡树岭国家实验室 (ORNL) 合作使用其 BAAM 技术。

多亏了 BAAM，该公司每个模具的打印时间在 8 到 11 小时之间，另外还有 8 小时的加工时间来实现所需的表面光洁度。模具由碳纤维增强 ABS 制成，这是一种常见的热塑性塑料，混合了短切碳纤维以增加强度。

结果是一个坚固的模具，在其生命周期内可支持多达 200 次混凝土浇筑，相比之下，木制模具需要浇注 15-20 次。

该公司认为，如果没有 3D 打印模具和 BAAM，就不可能在该项目所需的时间范围内创建模板。

在建筑行业采用 3D 打印的挑战

虽然增材制造对建筑行业具有巨大潜力，但在更广泛采用方面仍然存在一些障碍。

其中一个关键问题是质量控制。与传统建筑材料和方法相比，3D 打印的性能如何引起了人们的质疑：3D 打印的房屋是否会像传统建造的房屋一样耐用？如果发生火灾或自然灾害，它在结构上是否完好和安全？

建筑法规的严格程度不足为奇，增材制造提供的新技术和新材料仍有待纳入建筑标准和规范。

此外，3D打印需要有经验的操作员和设计师，这意味着投资培训以充分利用自动化技术和软件技能。

要克服的另一个障碍是可以 3D 打印的建筑材料的范围有限。也就是说，正在进行研究，特别是在混凝土和生物基可再生材料方面。

建筑 3D 打印的未来

尽管完全 3D 打印建筑物的愿景，但该技术不会取代传统的建筑方法 - 至少在短期内不会。

也许增材制造技术的最大用例之一可能在于利用增材制造提供的设计自由的好处来生产复杂的组件，例如接头、外墙和模板。

除了设计灵活性外，现场 3D 打印还有助于减少建筑工地的浪费，是迈向更可持续发展的未来的良好垫脚石。

展望从更大的角度来看，3D 打印可以成为解决当前建筑领域挑战的关键解决方案之一，因为它逐渐发展成为一种更加可持续、灵活和自动化的建筑技术。