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3D打印建造技术的原理与展望

2016/3/15    来源:互联网    作者:尤完      
关键字:3D打印建造技术  原理  难题  展望  
3D打印建造技术是快速成型技术在工程建设领域的应用。介绍了3D打印技术的原理、发展简史和成型方法,分析了3D打印技术的特点,讨论了3D打印建造技术的发展状况和实际效果,揭示了3D打印建造技术在建筑设计、建筑机械、建筑材料和建筑标准等方面需要解决的难题,提出应当制定产业政策扶持3D打印建造技术的发展。

    3D打印技术是一种快速成型(Rapid Prototyping,简称RP)技术,是基于CAD/CAM技术、激光技术、数控技术、信息技术、新材料技术等综合集成发展起来的现代制造技术。3D打印技术应用于工程建设领域就形成了3D打印建造技术。3D打印建造技术对传统建造工艺和施工方式颠覆性的变革,对于推动建筑产业现代化具有特别重要的意义。

    1 3D打印技术的原理

    3D打印技术出现于20世纪80年代中后期,它与普通打印机的工作原理基本相同。对于传统打印方式,文件传送到喷墨打印机后,就会在纸的表面喷墨粉形成二维图像。3D打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,3D打印机首先将需要生产的物品转化为一组三维模型数据,通过电脑控制把三维CAD模型切成一系列二维的薄片状平面层,与此同时将“打印材料”按薄片层逐层堆积,一层层叠加起来,制造出所需要的三维零件或产品,最终把3D蓝图变成实物。由于成形原理的不同、系统特点的不同、所用成形材料的不同,立体打印的快速成型装置也有不同的种类。

    在制造业,3D打印技术的正规名称为“增材制造技术”(Additive Manufacturing,简称AM),只要有一台特殊的立体“打印机”,从设计到制造就可以一步完成产品的生产。只要把产品的三维模型数据文件存储到3D打印机中,然后操作3D打印机执行打印命令,通过成型设备驱动材料逐层累加的方式,耗材会一层一层地“打印”(堆砌)出来,利用特殊的粘结材料对层与层之间进行粘合,并按照横截面将图案固定住,“打印机”就直接打印出想要的产品.在这一过程中,实现了设计、模具及材料制备到最终产品的一体化.“增材制造”方法与传统的对原材料进行切削加工的“减材制造”方法相反,不再需要使用模具、刀具、夹具、机床就可以生产出任意形状的产品。

    2 3D打印技术的发展简史

    “3D打印”的最初概念来源于美国,早在1983年,Charles Hull发明了液态树脂固化或光固化(SLA)3D打印技术,1986年获得技术发明史上结合电脑绘图、固态激光与树脂固化技术的3D打印技术专利证书,随后在美国加州组建世界知名的3D Systems公司,从1986年开始研制、生产快速成型机器,大力推动3D打印业务。目前,美国3D Systems公司是快速成型行业的领跑者。3D打印技术发展过程有以下重要的里程碑:1993年,美国麻省理工学院获3D印刷技术专利,1995年,美国ZCorp公司开始开发3D打印机,2005年,该公司研制出全球首个高清晰彩色3D打印机。2010年11月,由3D打印技术“打印”而成的世界上第一辆汽车Urbee在加拿大面世。2011年8月,英国南安普敦大学的工程师们研制出人类第一架3D打印的飞机。2012年11月,苏格兰科学家首次用3D打印机打印出基于人体细胞的人造肝脏组织。2013年11月,3D Systems公司用3D打印方法设计制造出布朗宁式金属手枪。从20世纪80年代中期到目前的近30年间,由于计算机、互联网、数字模型技术的迅猛推进以及管理变革和劳动生产率提高,3D打印机的成本不断下降,3D打印的黄金时代正在走来。

    3 3D打印技术的成型方法

    目前,3D打印技术的堆叠薄层成型有6种方式。

    1) 喷射成型

    喷射成型方法类似于喷墨打印机,通过喷嘴将液态光敏聚合物或蜡状成型材料选择性地喷出,快速固化,逐层堆积形成三维结构。

    2) 粘接剂喷射成型

    粘接剂喷射成型方法的基本流程是先铺一层薄粉末材料,然后利用喷嘴选择性地在粉层表面喷射胶状粘接剂。

    3) 光敏聚合物固化成型

    光敏聚合物固化成型原理的基本做法是利用某种类型的光源选择性地扫描预置的液态光敏聚合物,并使之快速固化。最典型的工艺是美国3D Systems公司推出的AM技术,即利用紫外激光快速扫描、固化液态光敏树脂。另一种工艺是光投影固化成型,将每一层的图像直接投影在液态光敏聚合物表面,使每一层瞬间固化。

    4) 材料挤出成型

    材料挤出成型方法的基本原理是在一定压力作用下,丝状聚合物材料通过加热喷嘴软化后,逐点、逐线、逐面、逐层熔化,堆积形成三维结构,在这一过程中,材料喷嘴上移或成型工作平台下移。

    5) 激光粉末烧结成型

    激光粉末烧结成型方法的基本原理与粘接剂喷射成型类似。将聚合物或金属粉末等材料粘接或熔合在一起并形成所需形状,两者的不同之处在于,前者使用胶状粘接剂,后者利用激光或电子束热能。

    6) 定向能量沉积成型

    定向能量沉积成型的做法是当材料从喷嘴输出时,利用激光或其它形态的能量,同步熔化材料,凝结成固体形态,然后逐层叠加,最终形成三维实体产品。

    4 3D打印技术的特点和优势

    3D打印技术作为现代制造技术有着许多不同于传统制造方法的特点和优势,这些特点和优势是建立在科学技术和管理水平提高的基础上。

    4.1 3D打印技术的主要特点

    3D打印技术的主要特点体现在6个方面。1)技术集成化:通过计算机辅助制造技术、现代信息技术、新材料技术、机械技术的综合集成而构成为完整的生产制造体系;2)设计、制造高度一体化:3D打印技术不受产品结构复杂程度的限制,可以制造出任意形状的三维实体产品,是一种自动化的成形过程;3)生产过程高度柔性化:当根据客户需求调整产品品种和规格时,仅需要改变CAD模型,重新设置相关参数,整个生产线适应市场变化的可调节性好;4)产品生产速度快:产品成型过程速度快,加工周期短,设计师快速地将设计思想物化成三维实体,进行外观形状、装配、功能的测试;5)质量稳定:生产过程受到操作工人的人为因素影响较小,产品质量稳定、易于控制;6)材料广泛性:3D打印所使用的材料具有广泛性。在理论上,金属材料、陶瓷材料、树脂材料、复合材料、石蜡等均可以适用于打印生产。

    4.2 3D打印技术的关键优势

    3D打印技术的关键优势在于非常适合于小批量复杂零件和个性化产品的快速制造。特别适合于用传统方法无法加工的极端复杂的几何结构,尺寸越小、形状结构越复杂,3D打印技术的优势越明显。3D打印技术不需要工模具等硬件就可快速制造出任何个性化零部件,使产品的精度、速度和人工美学程度都得到显著提高,并且需要的人力很少,不再依赖廉价劳动力,从而显著改变了传统的以工模具为中心的集中制造模式。由于3D打印技术不需要传统的厂房、大型设备和工模具等装备和基础设施就可以从事产品生产,因而是一种技术角度的全新制造模式和经营角度的全新商业模式。

    正是由于3D打印技术的上述特点,3D打印技术已经在航空航天、汽车、船舶、生物医学与医疗行业、高精密铸造行业、模型制作行业、零部件小批量生产行业、电子产品、珠宝饰品、工业造型产品等领域得到应用。

    5 3D打印建造技术的应用

    建筑产品的生产具有单件订制、异形结构等方面的特性,而3D打印技术擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术难题,因此,3D打印技术同样适用于建筑产品的建造,并且能够更好地满足消费者个性化、定制化的需求。

    5.1 3D打印建造技术在国外的应用

    目前,全球各地的建筑师和工程师正在试图用3D打印技术建造房屋。例如,2012年1月,美国航天局(NASA)与美国南加州大学合作,共同出资研发出的“轮廓工艺”3D打印技术,打印大约232m2的2层楼房仅需24h,并且该建筑物单位面积的承重能力可以达到标准混凝土的3倍。2013年3月,荷兰的DUS Architects建筑公司在阿姆斯特丹打印一座住宅,先用3D技术打印出住宅的组件,然后将这些组件进行装配,最终把用户定制的设计图变成建筑物。3D打印建造技术也可以用于旧房改造。2013年,位于美国佛罗里达州的南佛罗里达学院使用3D打印技术修复该学院著名的Child of the Sun建筑学区。该建筑群经过近80年的自然侵袭,损坏严重。由于在1940年建造时使用了异形式样的混凝土砖块,导致维护难度大、费用高昂。采用3D打印技术后,可以使维修费用大幅度下降。

    5.2 3D打印建造技术在国内的应用

    国内许多建筑企业正在探索3D打印建造技术的应用。其中,上海盈创装饰设计有限公司较早研制出2台全球最大的建筑3D打印机,可以整体打印房屋。2014-03-29,该公司在上海青浦区成功打印出10栋房子,这是全世界第一批通过3D打印技术建造的实体建筑物。在打印房子之前,首先需要完成地基工程;然后,用3D建造打印机堆砌粘结成墙体结构,同时预留梁与柱浇筑的空间;最后,在预留空间置入钢筋、灌注混凝土,填充保温材料。与传统的施工方式相比,3D打印建造技术可以节约60%的建材,节省80%的人工,缩短70%的工期,每平方米造价降低30%。2014年5月,中建八局在上海西虹桥工程项目施工中,使用了3D打印建造技术,取得较好的效果。

    目前,无论是国内还是国外,3D打印建筑都还停留在实验室阶段向工厂化生产阶段的过渡时期。就目前现状而言,3D打印建造技术距离成熟化、产业化应用还有相当远的路程。尽管3D打印建造技术还有很多的不足,但是,这丝毫不影响建造工程师们研制3D建筑的热情。未来建筑行业的发展方式以及城市的样貌,都可能因为3D打印建造技术而改变。

    6 3D打印建造技术面临的难题

    尽管3D打印建造技术拥有传统建造方式所不具备的许多优点,然而在实体建筑打印方面还需要突破材料、设备等诸多方面的瓶颈约束.

    6.1 建筑设计

    在建筑设计方面需要进行系统性的变革,创造新型的结构体系。传统的建筑设计更多是面向建筑产品功能、结构及施工工艺的要求,而3D打印建筑的设计需要兼顾3D技术的打印工艺、材料特性和现有的工业化水平。

    6.2 建筑机械设备

    在建筑机械设备方面,3D打印建筑需要高精度和自动化,相当于把现在的数控自动机床与建筑机械结合起来,用“机器手”的操作实现建筑物的打印。国内外目前也没有成熟的成套建筑机械产品可以使用,这对我国建筑机械制造工业是一个很大的挑战。

    6.3 建筑材料

    在建筑材料方面,3D打印过程的速度较快,对材料性能及凝固时间有非常严格的要求,传统建筑材料的性能难以满足3D打印建造的需求,需要研究开发新材料。值得提倡的是,盈创公司在3D打印建筑产品中使用的“打印喷墨”,主要取材于城市建筑垃圾和矿产废弃物。

    6.4 建筑标准

    在建筑标准方面,需要研究制定适用于3D建筑并且确保舒适性、安全性的建筑标准。目前现有的建筑设计、施工的标准、规范体系几乎都不能直接搬来运用,必须要重新建立符合3D打印建筑要求的建筑设计、施工、检验等的标准体系。

    7 结论

    3D打印建造技术在原理上彻底改变了目前建筑业的现场浇筑工艺和装配式生产方式,在实践应用上是建筑行业技术经济范式的重大变革,对建筑业产业结构、技术进步、项目管理、组织创新、商业模式等必将产生深刻影响。

    由于3D打印技术有可能变革几乎所有产品的制造方式,因而3D打印技术成为全球高度重视的新兴高科技领域。美国总统奥巴马在去年发表国情咨文时就提出要以3D技术重振国家制造业。因此,我们要积极跟踪发达国家3D打印技术的发展趋势,在国家产业政策上给予更多的扶持措施,争取在3D打印建造技术的局部领域有所突破,从而加快我国建筑产业现代化的发展步伐。

责任编辑:张瑾
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