2004年，南卡羅來(lái)納大學(xué)的Behrokh Khoshnevis教授開(kāi)創(chuàng )(chuàng)了混凝土墻3D打印技術(shù)。建筑行業(yè)(yè)真正標志性的創(chuàng )(chuàng)新是它的Contour Crafting技術(shù)，該技術(shù)使得在短短20小時(shí)內以完全自動(dòng)化的方式建造房屋成為可能。該教授開(kāi)發(fā)(fā)了一種安裝在機械臂上的FDM型3D打印機，能夠擠出混凝土而不是塑料，從而從3D模型中創(chuàng )(chuàng)建層。Behrokh Khoshnevis很快展示了增材制造在建筑領(lǐng)域的優(yōu)(yōu)勢：降低成本和浪費、提高生產(chǎn)(chǎn)速度、減少工作場(chǎng)所事故以及創(chuàng )(chuàng)建復雜形狀的可能性。他的研究標志著(zhù)建筑3D打印的開(kāi)始，為房屋3D打印鋪平了道路。

建筑行業(yè)(yè)領(lǐng)導者開(kāi)始充分認識到3D技術(shù)的巨大潛力及其對該領(lǐng)域未來(lái)的影響。根據(jù)Precedence Research最近進(jìn)行的市場(chǎng)研究，預計到2034年，建筑市場(chǎng)3D打印將達到14,181.6億美元，年增長(cháng)率為65%。這種擴張并不是偶然的結果：越來(lái)越多的公司正在采用這種技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)(fā)項目。其中一些項目具有未來(lái)感，而另一些項目已經(jīng)(jīng)實(shí)現(xiàn)，例如位于沙特阿拉伯的世界上最大的3D打印建筑，高9.9米。建筑領(lǐng)域的3D打印正在高速發(fā)(fā)展，融合了各種技術(shù)和材料，具有眾多優(yōu)(yōu)勢。但這項技術(shù)實(shí)際上意味著(zhù)什么？對該行業(yè)(yè)有何好處？未來(lái)前景如何？要了解更多信息，請繼續(xù)閱讀本文。

圖1：輪廓工藝的首次開(kāi)發(fā)(fā)。

目前建筑行業(yè)(yè)有哪些3D打印工藝？

機械臂擠壓材料

Contour Crafting方法標志著(zhù)3D打印在建筑領(lǐng)域的首次亮相。此過(guò)程涉及沉積建筑材料以形成3D模型，從而可以創(chuàng )(chuàng)建具有光滑表面光潔度的大型結構。建筑物地板周?chē)惭b有導軌，作為機械臂的引導。該手臂前后移動(dòng)以逐層涂抹混凝土。放置在噴嘴兩側和上方的固定槳使擠出層變平，確保足夠的強度。傳統(tǒng)混凝土無(wú)法用于此過(guò)程，因為它無(wú)法支撐自身重量。因此，使用了一種特定的混凝土，它可以更快地硬化并允許更快的配置。

圖2：使用機械臂進(jìn)行3D打印。

該領(lǐng)域不同參與者使用和開(kāi)發(fā)(fā)的技術(shù)非常相似，都基于相同的基本原理：材料擠出。例如，法國的Constructions-3D公司設計了一種移動(dòng)極地機器，能夠直接在建筑工地、正在建造的建筑物的中心進(jìn)行打印。該機器易于運輸且適應性強，由機械底座和配備公司開(kāi)發(fā)(fā)的擠出機噴嘴的機械臂組成。該臂的打印面積為150平方米，打印高度可達7米。

一些公司選擇專(zhuān)注于混凝土以外的材料的擠出，同時(shí)保持相同的技術(shù)原理。一個(gè)例子是獲得專(zhuān)利的BatiPrint 3D工藝，該工藝是南特大學(xué)、Bouygues Construction和Lafarge Holcim合作開(kāi)發(fā)(fā)的。該工業(yè)(yè)機器人直接在現(xiàn)場(chǎng)放置三層材料：兩層膨脹聚合物泡沫和一層混凝土。南特大學(xué)教授伯努瓦·福雷(Benoit Furet)解釋說(shuō)：“泡沫提供隔熱和隔音作用，而混凝土則增強結構，從而使其具有抗震性能”。

圖3：BatiPrint增材制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)(fā)

砂層交界處

在歐洲，意大利人Enrico Dini使用他的D-Shape 3D打印機開(kāi)發(fā)(fā)了一種工藝。該系統(tǒng)基于粉末的使用，粉末通過(guò)“墨水”形式的粘合劑固化。在此過(guò)程中，沙子或骨料層沉積到所需的厚度，然后配備300個(gè)噴嘴的打印頭沉積粘合劑液滴，從而使沙子硬化。該機器呈立方體形狀，尺寸為4 x 4米，能夠創(chuàng )(chuàng)建最大6立方米的大型結構。

固體結構用金屬

荷蘭公司MX3D開(kāi)發(fā)(fā)了一種創(chuàng )(chuàng)新的施工方法WAAM（電弧增材制造），該方法允許使用6軸機器人制造金屬結構。該機器人每小時(shí)可沉積2公斤材料，這使得該技術(shù)特別適合建筑中金屬結構復雜而細致的焊接工作。

為了開(kāi)發(fā)(fā)他們的技術(shù)，MX3D與液化空氣集團和安賽樂(lè )米塔爾合作。該機器人配備了焊機和噴嘴，可以將金屬棒逐層焊接。該工藝與多種金屬合金兼容，例如不銹鋼、青銅、鋁或鉻鎳鐵合金。簡(jiǎn)而言之，它是一臺“巨型焊機”：“我們將工業(yè)(yè)機器人與焊接機結合在一起，從而將其轉變?yōu)榭膳c我們自己的軟件配合使用的3D打印機，”該團隊解釋道。

圖4：MX3D機械臂

為什么在建筑中使用3D打?。?/span>

3D打印混凝土的主要優(yōu)(yōu)點(diǎn)之一是可以節(jié)省大量時(shí)間。事實(shí)上，3D打印可以減少70%的施工時(shí)間，同時(shí)減少施工現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險和事故。Benoit Furet解釋道：“減少困難和風(fēng)險是現(xiàn)實(shí)，我們在沒(méi)有腳手架的情況下建造了3.8 m高的墻。此外，我們注意到施工現(xiàn)場(chǎng)非常安靜。?他的團隊成功3D打印了一座95平方米的房屋，這將是該市第一座3D打印的社會(huì )住房。據(jù)他介紹，BatiPrint技術(shù)還有助于以更低的成本創(chuàng )(chuàng)建彎曲形狀，并提供工作自動(dòng)化：3D打印機可以連續(xù)工作直到項目結束，從而顯著(zhù)減少等待時(shí)間。

與傳統(tǒng)施工方法相比，在建筑中使用3D打印的另一個(gè)好處是減少材料使用。與減材工藝不同，材料的逐漸添加限制了對環(huán)(huán)境的影響，并且產(chǎn)(chǎn)生的廢物很少，這主要歸功于拓撲優(yōu)(yōu)化。XtreeE聯(lián)(lián)合創(chuàng )(chuàng)始人Romain Duballet強調：“通過(guò)幾何控制，可以設計優(yōu)(yōu)化的形狀，從而減少所需材料的數(shù)量。?當我們考慮到混凝土是地球上僅次于水的最常用資源之一時(shí)，這一優(yōu)(yōu)勢就顯得更加重要。

圖5：由法國公司XtreeE創(chuàng )(chuàng)建的結構

3D打印在建筑領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)之一是缺乏明確的標準來(lái)認證打印結構。Constructions-3D公司經(jīng)(jīng)理Axel Thery解釋道：“主要困難來(lái)自于3D打印尚未被認為是一種符合現(xiàn)行規(guī)范和標準的施工方法。由于印刷結構是非傳統(tǒng)的，因此很難評估其長(cháng)期強度。這就是為什么用于居住的建筑必須在一開(kāi)始就逐步進(jìn)行測試。?

然而，一些國家開(kāi)始考慮制定標準，將該技術(shù)整合到建筑領(lǐng)域。例如，在迪拜，阿聯(lián)(lián)酋當局計劃到2030年使用3D技術(shù)建造25%的新建筑。

一方面，增材制造創(chuàng )(chuàng)造了許多就業(yè)(yè)機會(huì )，但建筑工人呢？房屋3D打印和施工過(guò)程自動(dòng)化是否會(huì )讓許多工作崗位變得過(guò)時(shí)？在建筑工地操作3D打印機需要哪些技能？3D混凝土打印專(zhuān)家一致認為，這項技術(shù)將改變這些職業(yè)(yè)，但不會(huì )消除它們。我們正在見(jiàn)證職業(yè)(yè)概況的變化。Benoit Furet解釋道：“職業(yè)(yè)將會(huì )不斷發(fā)(fā)展，從建筑師到石匠，再到石工操作員。最終，整個(gè)數(shù)字化過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單，建筑專(zhuān)業(yè)(yè)人員將扮演數(shù)字泥瓦匠和機器人控制器的角色。?

圖6：3D打印房屋會(huì )改變目前的工作嗎？

住房危機的解決方案？

3D打印使更快地創(chuàng )(chuàng)建結構成為可能，可以通過(guò)提供更快建造的經(jīng)(jīng)濟適用住房來(lái)提供應對住房危機的理想解決方案。一些公司已經(jīng)(jīng)為此目的采用了這項技術(shù)，例如意大利的WASP，它渴望通過(guò)3D打印建立一個(gè)更加可持續(xù)的世界。該公司開(kāi)發(fā)(fā)了世界上最大的3D打印機之一，能夠使用當?shù)夭牧蝦吞?yáng)?、風(fēng)能或水力等可再生能源建造房屋。這使得即使是沒(méi)有電力的地區(qū)也可以利用當?shù)剄Y源創(chuàng )(chuàng)建生態(tài)(tài)結構。

圖7：意大利公司WASP的開(kāi)發(fā)(fā)。

一些國家正在考慮將3D打印作為住房危機的解決方案。例如，在智利，比奧比奧大學(xué)和ANID合作的成果Casa Semilla項目最近啟動(dòng)。這一舉措是在該國超過(guò)50萬(wàn)人遭受住房短缺之際提出的。這座房子僅用了29小時(shí)就建成了，既抗震、耐用，又能適應智利的不同地區(qū)，從而為解決住房問(wèn)題提供了創(chuàng )(chuàng)新且可行的解決方案。

雖然增材制造可以為地球的住房危機提供解決方案，但它也可以在太空探索中發(fā)(fā)揮關(guān)鍵作用，包括在太空建造房屋。這個(gè)想法已經(jīng)(jīng)在NASA的“3D打印棲息地挑戰(zhàn)”中得到了探索，該挑戰(zhàn)旨在設計能夠在月球或火星上建造棲息地的技術(shù)。然而，在我們在太空中看到印刷結構之前，仍有許多障礙需要克服。

圖8：月球3D打印項目

編譯整理：3dnatives