11月13-14日 OFweek中国高科技产业大会

解析3D打印建筑技术和干混砂浆行业

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  通过近30年的3D打印发展,使得许多传统加工工艺不能够或耗费巨大的实物设计能够有效制造出来,特别是许多创新的仿生(bionic)设计可以通过3D打印实现精密制造。以无机胶凝材为主的建筑材料如混凝土干混砂浆等最初是和水混合为可塑性状态,然后通过水合反应硬化,形成不同的坚固耐用建筑实体。这种材料自身的特性(从微观到宏观结晶生长)使得它们成为理想的增材制造材料(3D打印材料),也就是说,不像塑料,金属等3D打印,就目前技术水准可以达到80-90%传统制造(压力注模和冶金粉末烧结)的力学性能;3D打印的建筑材料本身的强度不会因为打印过程受影响,所以,在大尺度的建筑领域出现了众多打印作品不为奇怪,这是人类的自然进化。但是,3D打印覆盖领域宽广,从纳米级打印到几百米的摩天大厦打印,需要结合行业要求和对3D打印技术自身的理解进行实践。

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  根据行业特性首先是对这个打印技术体系包括工艺,材料,设备,建筑设计,检验等进行全面的比较分析和总结,形成一个可以实际运作的规范要求和标准。同时,确定3D打印建筑的未来研发领域和方向,特别是在增材打印材料方面,作为国内新起之秀的”干混砂浆”在未来市场的发展之道上将接受严峻考验和挑战,如何做到真正意义上的节能环保,稳定的高质量的绿色建筑。

  3D打印建筑将促使干混砂浆体系内在的概念进化,并将越来越多会起到”硬功夫”的作用。3D打印建筑技术的出现,是目前建筑技术的补充,它给材料,建筑设计,城市规划等带来创新机遇,让人们在设计时能够突破常规,解放思想,实现建筑,艺术,功能和环境的大融合。

  为便于统一概念和理解3D打印建筑, 本文就广义的增材制造和减材制造技术作一简单介绍。 通过目前3D打印建筑的实际应用分析其特点, 工艺, 材料以及打印装备技术来阐述其在整个建筑系统工程中的应用。 并结合近几年德国杰斯公司(JCI)和亨维(H+V)公司联合研发项目”微观构造材料和装备技术(micro-structuring materials and processing technology)”部分成果, 分析干混砂浆材料将面临选择和预测发展趋势。

  1.总述

  随着经济的发展,技术的创新,3D打印技术逐渐深入到汽车工业, 机械制造, 生物医疗、食品、教育、建筑设计, 航天航空等很多工业领域。在建筑建设这个古老领域已经出现3D打印的实际应用案例。未来的外星球移居建筑解决方案可能是3D打印技术, 并且是就地取材。 国内3D打印技术发展逐步从工业级应用到民用级上,正逐渐步入商业化。业界预测到2035年大型的集中的汽车制造业将结束, 取而代之的是分散的3D打印装配中心。 科技部将3D打印技术纳入国家计划,政府决策层开始从战略高度重视这项技术。

  3D打印技术使得许多传统加工工艺不能够或耗费巨大的实物设计能够有效制造出来, 特别是许多创新的仿生(bionic)设计可以通过3D打印实现精密制造。 以无机胶凝材为主的建筑材料如混凝土干混砂浆等最初是和水混合为可塑性状态, 然后通过水合反应硬化, 形成不同的坚固耐用建筑实体。 这种材料自身的特性(从微观到宏观结晶生长)使得它们成为理想的增材制造材料(3D打印材料), 也就是说, 不像塑料, 金属等3D打印, 就目前技术水准可以达到80-90%传统制造(压力注模和冶金粉末烧结)的力学性能;

  3D打印的建筑材料本身的强度不会因为打印过程受影响。 所以, 在大尺度的建筑领域出现了众多打印作品不为奇怪, 这是人类的自然进化(Evolution)。 但是, 3D打印覆盖领域宽广从纳米级打印到几百米的摩天大厦打印, 如果像打印汽车零部件那样打印, 恐怕一年365天每天24小时打印一幢10x10x6米的小楼则需要100多年时间。

  所以, 我们需要结合建筑行业的要求, 并基于目前3D打印技术状况理性的进行创新实践。 根据行业特性首先是对这个打印技术体系包括工艺, 材料, 设备, 建筑设计, 检验等进行全面的比较分析和总结, 形成一个可以实际运作的规范要求和标准, 协同发展。 同时, 确定3D打印建筑的未来研发领域和方向, 特别是在增材打印材料方面, 作为国内新起之秀的”干混砂浆”在未来市场的发展之道上将接受严峻考验和挑战, 如何做到真正意义上的节能环保, 稳定的高质量的绿色建筑。3D打印建筑将促使干混砂浆体系内在的概念进化, 并将越来越多会起到”硬功夫”的作用。

  3D打印建筑技术的出现,给材料, 建筑设计, 城市规划等带来创新机遇, 让人们在设计时能够突破常规,解放思想,实现建筑, 艺术, 功能和环境的大融合。同时, 迅速发展的3D打印业将会导致建设成本降低,这意味着“不久的将来”整体现场打印的给类建筑包括个性化房屋将在经济方面具有很大竞争力。

  2.什么是3D打印建筑技术

  3D打印的概念是上个世纪80年代。美国的一个模具工程师发明的, 概念的雏形是像喷墨打印机那样, 根据物体的图像(三维模型数据)分层打印出来, 这里的墨水是实际物体设计材料(如金属, 塑料等等), 也即是说, 一层一层以材料叠加的方式制成实物。到90年代初期美国麻省理工学院的科研专家发明了一种以粉末为基础的, 名为三维打印的技术; 同时, 陆续研发出如立体光固成型(SLA )、选择性激光烧结(SLS)和熔丝沉积造型(FDM)等工艺技术, 90年年代末期3D打印机器开始工业化生产应用。 2000年之后,3D打印机器迅速发展,特别是在机械制造业快速成型对于自由曲面形状得到实际应用。

  a) 3D打印的基础工艺知识

  传统机械制造业中我们通常将加工分为两种方式: 模具成型和切削加工, 现在采用减材制造和增材制造(AM=additive manufacturing和SM=subtractive manufacturing)的术语。 广义上理解, 注模或压膜制造应该属于增材加工。下图显示两种思路的关系:增材工艺 减材工艺

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  从本质上讲,增材制造和数控机床CNC或其它计算机辅助制造(CAM)技术并没有什么不同。数控机床CNC是根据程序,利用切削工具将整块原材料“减小”为零部件的过程,而增材制造则是将构造整块原材料的微小单元(粉末或颗粒)通过融化, 烧结或粘接一层一层地累积叠加“增加”。它和传统的减材制造互补可以打造出任意形状。

  在建筑中实际上人们一直在采用增材制造工艺和减材建筑工艺, 增材工艺就是注模成型(压膜成型和浆体布料成型以及挤出成型通常在工厂中制作水泥预制件采用, 俗称PC); 减材建筑传统的有窑洞建筑, 过程中有隧道, 地铁等建设。 至于到人工3D打印雏形概念, 比如艺术墙体粉刷。 目前使用的3D打印工艺还是借鉴传统机械制造业的主流工艺技术路线。 所以, 下面将对建筑3D打印有相关影响的增材制造工艺做一介绍, 便于我们对整个3D打印建筑的理解。下图3是增材制造机械制造业成熟的激光烧结(SLM=Selective Laser Melting)工艺, 因为它们是对于增材建筑有重要影响的工艺。

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图3 激光烧结打印原理

  除此之外,塑料增材制造的融化沉淀成型(FDM=Fused Deposit Modeling)也是常规采用的方式。可以直接用于增材建筑。增材制造目前是传统减材制造技术的理想补充,德国机床制造商在现有CAM加工中心基础上研发的混合制造工艺能够有机将两者结合起来,可以大幅度提高效率如图所示:

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  b) 成本和精度比较  成本趋势

  成本趋势:原理上讲,模型越复杂,特别是有内部空腔的异性结构,3D打印和传统减材制造比较越有效,图X表示两种制造工艺成本上的趋势。另外,材料价格和用途也是决定选择加工工艺的关键,比如欧洲航天局(ESA)制作的水阀用钛金属材料。增材制造比减材制造减少40%的质量。

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  表面质量:在表面精度上我们可以通过以下实际制作物体图片感性认识:金属3D打印表面质量

  和普通打印机一样,精度和分辨率成正比,分辨率越高,精度(清晰度)越高,打印的时间越长,成本越高。所以,3D建筑打印考虑成本速度,分辨率可能在毫米以上至几十厘米内。可以是毛坯房,精致表面还需要另外装饰加工。

  c) 3D打印特点:

  如成本曲线所示,3D打印技术最大的优势在于打印复杂结构,特别是内部多封闭空腔的结构,而传统工艺很难或不可能实现的结构。因为3D打印是以材料构成的微小颗粒构造物体。它以数字模型文件为基础,通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,运用一些金属粉末,塑料等可烧结,高温溶解材料,逐层加工迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体。

  它的优势在于产品多样化,制造复杂物品不增加成本,无须组装,设计空间无限,零技能制造,减少废弃副产品,材料无限组合,精确的实体复制。因为3D打印是物质重新构造过程,无论采用粘结沉积材料成型技术,砂石骨料可以就地取材,让人们用可以负担的起的方式建造房子;或轮廓构筑工艺,改性土壤等,都可以让贫瘠的荒漠变成宜居的绿洲。

  涉及成本优势需要比较结构,对于一维或简单的二维结构,传统的注模和压模以及挤出成型好。一维的结构由正方形或长方形板材和型材,而且可以标准化(如杰斯公司柔性面砖的成型技术)。二维结构可以是其它曲线形状的板材(如杰斯公司的人造石材的颜色纹理发生器)。三维结构的构件像瓦片通常采用压模成型,由于是大规模化生产,所以模具费用较小。只要批量化生产,结构可以通过传统工艺达到如没有封闭的空腔,传统增材工艺一定有优势。用3D打印一维构件的预制件成本一定会高。

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  在轮廓构筑打印工艺中的墙体实质是一个一维结构,现场整体打印有优势是因为可以免去中间输送安装以及建筑中人员的施工风险,因为每年建筑过程中有许多人员伤亡事故。从目前打印的房屋来看,不论是成本,质量,还是效率都不能够和传统建筑相比,因为人们把3D打印最不擅长的一维结构作为建筑模型。只有我们后面提到的放射虫馆的结构可以体系速度快,节省材料,质量好,成本低,那是因为传统工艺时间更长(模具制作时间长),效率更低(手工制作), 质量更差(人工制作误差大)。

  d) 应用领域

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