“构建未来：探索 3D 打印在建筑领域的潜力”
从计算机辅助数字文件制作三维实体产品被称为 3D 打印，也称为增材制造。
最初，“3D 打印”一词指的是使用喷墨打印机头将粘合剂材料一层又一层地沉积到粉末床上的过程。但是，现在的定义包括更广泛的增材制造工艺，包括选择性激光熔融和电子束增材制造。
早在 20 世纪 80 年代，日本发明家 Hideo Kodama 就开发了两种用于创建三维塑料模型的增材技术，这催生了增材制造的想法。他使用光硬化热固性聚合物创建了 3D 打印结构。
访问样本报告（包括图表和数字）： https://univdatos.com/report/3d-printing-filament-material-market/get-a-free-sample-form.php?product_id=35768
什么是 3D 打印机？
简单来说，3D 打印机采用 CAD（计算机辅助设计），由 3D 技术驱动，可使用各种材料（包括熔融塑料、粉末和混凝土）生产 3D 产品。可以使用各种 3D 打印机创建 3D 打印房屋，其尺寸和设计范围从适合放在桌面上的小型建筑模型不等。3D 打印机分为三个基本类别，它们的操作方式略有不同。
3D 打印机的类型
· 立体光刻 (SLA 打印机) – 使用立体光刻 (SLA) 技术的 3D 打印机可以将液态树脂转化为塑料。
· 选择性激光烧结 (SLS 打印机) – SLS 打印机（选择性激光烧结）：这些打印机使用激光将聚合物粉末颗粒烧结成固体结构。
· 熔融沉积成型 (FDM 打印机) – 这些打印机通过从加热的喷嘴释放熔融的热塑性长丝来创建分层物体。3D 建筑方法最常使用这些打印机。
3D 打印如何应用于建筑行业？
自 20 世纪 80 年代以来，人们对 3D 打印技术提出了几个问题。然而，该方法本身的进步使其具有越来越重要的意义，因为它能够通过叠加连续的材料层来建造三维物体。这种建造方法非常灵活，可用于建造特定的项目元素，以及各种复杂的整体结构，包括房屋或居住空间、办公室、桥梁、墙壁、模块化结构、加固模具、柱子、城市家具，甚至装饰元素。
在建筑中实施这项技术所需知识的很大一部分来自设计阶段。由于该行业已经具备计算机辅助制造的专业知识，并且 BIM（建筑信息模型）在建筑业务中蓬勃发展，因此 3D 打印技术的集成难度较低。3D 打印机从 CAD 或 BIM 程序获得必要的信息，机器开始根据信号覆盖材料层。这可以使用各种材料来完成，其中最受欢迎的是沙子、纤维、地质聚合物和混凝土的混合物。
根据 Research and Markets 的一项调查，在过去十年中，3D 打印取得了积极的进步，预计到 2028 年，其在建筑行业的市场价值将达到 1,034,096.7 千美元。这将使 2021 年至 2028 年的复合年增长率提高 91.5%。
全球建筑领域的 3D 打印
对建筑和更好的基础设施的需求越来越大，尤其是在大城市中。与 1800 年仅有 3% 的人口居住在城市相比，到 1900 年，居住在城市的人口增加了 15%。世界经济论坛预测，到 2050 年，全球三分之二的人口将居住在主要城市，高于目前的 55%。
目前，全球范围内正在制定许多支持使用 3D 打印的政府倡议。迪拜就是选择在这场竞赛中领先的城市之一，该市的目标是到 2030 年用 3D 打印技术建造 25% 的建筑物。
图表 1
图表 2
建筑领域 3D 打印的可用技术
机器人手臂挤出机
机器人手臂挤出机是目前市场上流行的 3D 打印技术。这种技术称为轮廓工艺。它的工作方式类似于桌面 FDM 3D 打印机。导轨以某种模式设置，使机器人手臂能够逐层穿过它们，同时挤出从喷嘴中出来的混凝土。这种 3D 打印 XL 建筑的方法是最流行的。
用沙子进行 3D 打印
工业 3D 打印工艺（如 SLS（选择性激光烧结）和 Jet Fusion）与此处解释的 3D 工艺类似。意大利建筑师 Enrico Dini 是第一个使用他的 D-Shape 3D 打印机进行测试的人。在用粘合剂巩固建筑的形状之前，机器会用沙粉覆盖表面。这与金属 3D 打印机的操作类似。
金属技术
WAAM（电弧增材制造）由荷兰初创公司 MX3D 开发，用于桥梁等承受更大压力的结构。该公司将工业机器人和焊接机结合在一起，最终形成了在专门为此任务创建的软件上运行的 3D 打印机。该机器人具有用于 3D 打印金属结构的 6 轴配置。
3D 打印用于建筑的优势
· 增强的设计灵活性 – 复杂设计的创建是 3D 打印可以解决的一个重要的建筑难题。建筑 3D 打印机使用可以编程以执行复杂和困难设计的计算机程序。
· 适应 BIM – BIM 通过使用 3D 技术，建筑信息模型已改变了建筑设计。它在实际建造之前显示了巨大建筑物和结构的图像。通过与 BIM 集成并以几乎完美的精度执行复杂的设计，建筑 3D 打印可以促进这一突破。
· 减少人为错误 – 3D 打印的基础是预编程的自动化操作，不受人为影响。这从根本上消除了人为造成的错误。此外，3D 打印机不需要太多的人工监督。
· 帮助绿色建筑施工 – 最流行的建筑类型正在迅速转向绿色建筑。由于人们越来越意识到气候变化，建筑公司已经开始使用绿色建筑方法。通过使用废弃和再利用的建筑材料来生产 3D 打印结构，3D 打印机可以在这项工作中发挥重要作用。
3D 打印建筑的缺点
· 高功耗 – 3D 打印机比任何其他传统建筑技术使用更多的电力。除了以如此高的容量发电的环境成本外，满足如此大的电力需求也很昂贵。
· 3D 打印机价格昂贵 – 目前使用 3D 打印在经济上不可行，因为该技术仍处于起步阶段。为建筑结构建立 3D 打印设施所需的初始投资很大，并且在其当前的配置中，在主要建筑领域中实施该技术过于昂贵。
· 材料稀缺 – 常规建筑材料不能与 3D 打印机一起使用。3D 打印机需要专门的材料，这些材料尚未得到广泛使用。由于材料因稀缺而大幅涨价，以及打印机价格昂贵，因此无法将其用于大规模建筑。
建筑领域 3D 打印的市场规模
1. 莫斯科的 3D 打印家庭住宅
美国科技公司 Apis Cor 在莫斯科建造了一栋 3D 打印房屋。这栋房子是首个在房屋建造中使用自动化的房子，与任何其他混凝土结构相同。总建筑成本不到 10,000 美元。
2. 迪拜世界上最大的 3D 打印建筑
最近，中东地区，尤其是在阿联酋，出现了新的技术进步。《吉尼斯世界纪录大全》已经证实了阿联酋航空大厦综合体声称它是世界上最大的 3D 打印建筑，延续了 3D 打印的这一趋势。这座两层建筑由 Apis Cor 建造，占地面积为 640 平方米，高度为 9.5 米。
3. 北美和加勒比地区的 3D 打印房屋
世界各地的社区和非营利组织正在采用混凝土 3D 打印技术来解决经济适用房危机。例如，非营利组织 New Story 在创纪录的 24 小时内建造了墨西哥第一座 3D 打印房屋。此后，该公司建造了 2,000 套房屋的社区，所有这些房屋都是使用 3D 打印建造技术建造的。
未来
世界各地越来越多的项目表明，3D 打印结构有可能成为一项革命性的、改变行业的变革技术，它将解决目前困扰建筑领域的几个问题。雄心壮志是巨大的；例如，预计到 2030 年，迪拜 25% 的新结构将采用 3D 打印。委婉地说，3D 打印在建筑领域的使用具有广阔的前景。
结论
尽管 3D 打印仍然存在许多长期存在的问题，但建筑行业已准备好进行创新。传统的建筑方法可能效率低下、成本高昂、耗时且对环境有害。由于 3D 打印的准确性、速度和可靠性，土木工程师有许多机会来应对这些挑战，并可能使设计和建造可居住的结构变得更容易和更实惠。
作者：Sonu Kumar Sah
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