3D建筑打印技术研究综述

（3）尼龙纤维激光烧结工艺及应用 

在英国，Softkill Design正着手使用3D打印技术建造大批量民用住房。这些房屋以骨骼架构为原型，以纤维尼龙为结构制作所有的部件需要三个星期，组装起来则只需要一天。这种3D打印房屋概念将是房屋建造的革命性改变，甚至能够最终 解决英国住房危机。2012年，伦敦设计工作室Softkill Design 的设计师们运用3D打印机打印出了一个1：33比例的房子模型 ProtoHouse1.0（图9），它并非采用实墙建造模型，而是采用纤维材料打印而成，外形似如洞穴。

图9 ProtoHouse1（1：33模型）

ProtoHouse1.0共分30节段打印，各房屋组件是场外制造的，在3D打印机实验室使用激光烧结生物塑料，并添加金属等较坚固的物质制成。打印好之后运送至建筑基地拼装，用尼龙搭扣或者像钮扣一样的扣合件进行固定。这种方式比现场采用沙子和混凝土3D打印制造的效果更好。截至2013年3D打印制造的纤维结构只有0.7mm厚。而下一步，在前者的研究和开发的基础上，将打印出一幢4m×8m的单层建筑ProtoHouse2.0。建造3D打印房屋的成本并未公布，但雷特辛表示，伴随着3D打印行业的快速发展，将逐步降低制造成本，这意味着不久的将来，建造经济型3D打印房屋将成为现实。

（4）粉末压实与蒸汽固化工艺 

恩斯赫德（荷兰东部城市）的学者A. Budding在粉末压实的快速成型技术方面进行了一些研究。在这类特殊设备上的研究，马里博尔大学的DanijelRebolj提出一种新的建筑技术概念，可以在纳米级的层次进行施工追踪。美国华盛顿大学的Ben Utela等在建筑3D打印的工艺方面提出了5个步骤：材料配合、粘结剂选择、粘结配方和测试、打印流程规范、后期处理等。泰国国家金属和材料技术中心的R. Chumnanklang等研究低成本的水溶性天然高分子粘结剂、羟磷灰石颗粒喷雾干燥技术在3D打印中的应用。 

纽约伦斯勒理工学院机械工程系的Joseph  Pegna研究了新的加法制造的3D打印对于建筑施工自动化的效果，研究蒸汽固化工艺，评估了这种大型建筑结构的固体成型技术的前景。麻省理工学院的史蒂文?基廷等提出了使用机器人技术用复合材料制造和复制的3D打印。英国的拉夫堡大学土木与建筑工程学院的T.T. Le 等研究了用3D打印技术通过9mm直径喷嘴打印逐层累积的结构构件。这不同于传统的施工，密实分层过程中的混凝土达到很高的拉压强度。

2.2 国内研究现状 

2014年4月，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内展出。这些建筑依据电脑设计方案的图纸，经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成，整个建筑过程仅花费24小时，且其墙体材料用的是处理后的建筑垃圾。研发者马义和表示，其3D打印核心是油墨、喷嘴和材料供应系统。其打印材料的核心技术是以高标号水泥与玻璃纤维为主，依靠自主研发的打印机设备连续线性挤出打印而成，比传统钢混建筑强度更高。  马义和的团队还研发了一种新型生态石材SRC（特种玻璃纤维增强复合水泥），接着又在FRP（纤维增强复合塑料）有所突破。正是这些技术为其3D打印打下良好基础。值得一提的是，这些3D打印建筑原材料通过就地取材，回收附近建筑垃圾、工业垃圾和尾矿，通过技术处理、加工、分离，实现建筑垃圾再利用。 

图10 上海张江高新青浦园区内展出的3D 打印房屋构架

3D打印技术的发展将使大规模的个性化生产成为可能，并会创造出大量的传统工艺无法生产的新型材料，这将会带来全球制造业经济的重大变革。尽管过去20年里已经开发了一些快速成型的方法，而且在很多领域已经有了基于这类方法的成功应用实践，目前大多数分层制造方法受限于可用建筑材料的匮乏。此外，它们还严重受制于材料的低沉积率，这使得这些方法只能适合小的工业零部件。因此，目前3D建筑轮廓打印可以说是唯一适用于建设大型复杂建筑的新的建造方法。 

综上所述，虽然国内外学者对3D打印材料有了一定的探索并基于材料特性摸索了相应的打印模式，但是在适应多元材料的打印设备系统和工艺流程系统的研究上显得较弱，都是各成一家，缺少交流和融合。如Enrico Dini对细沙和镁基胶的运用，是基于胶凝材料和细骨料混合硬化的的快速成型原理，也因此探索出能够打印复杂形体的D-Shape打印设备。BehrokhKhoshnevis在混凝土配方材料的快速成型打印技术上研究较多，并探索了多种适合混凝土打印机的屋盖形状。其他基于塑料或纤维材料而产生的打印工艺又各不相同，不同材料衍生的不同工艺直接的配合与融合的过程还有待研究。 其次，国内外学者研究建筑3D打印已经进入较快的发展阶段，研究的初步成果较多，但是缺乏系统、完善的方法体系。现在全世界采用3D打印技术已完成实际建设的项目更是少之又少。

D-Shape打印机和轮廓打印机技术的研究为我们提供了一个很好的参考方法，在这个基础上，若将3D打印原理和建筑结构及材料的关键技术问题结合起来，发展新的低成本的3D打印方法体系，不但对于解决全球住房危机和节约能源、环保等问题从而促进社会和谐发展显得迫切而意义深远，也会对未来建筑业的发展产生重大的影响。

作者：宋靖华（武汉大学城市设计学院）  胡欣（武汉大学城市设计学院）