“构建未来：探索 3D 打印在建筑中的潜力”
通过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。
一开始，术语“3D 打印”指的是使用喷墨打印头将粘合剂材料逐层沉积到粉末床上的过程。然而，现在的定义涵盖了更广泛的增材制造工艺，包括选择性激光熔化和电子束增材制造。
早在 1980 年代，日本发明家 Kodama Hideo 开发了两种用于创建三维塑料模型的增材技术，这促成了增材制造的想法。他使用光固化热固性聚合物创建了 3D 打印结构。
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什么是 3D 打印机？
简而言之，3D 打印机使用由 3D 技术驱动的 CAD（计算机辅助设计）从多种材料（包括熔融塑料、粉末和混凝土）生产 3D 物品。可以使用各种 3D 打印机创建 3D 打印房屋，其大小和设计从适合桌面的小型建筑模型到大型建筑模型不等。3D 打印机有三种基本类别，它们的工作方式略有不同。
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) –这些打印机通过加热喷嘴释放熔融热塑性长丝来创建分层物体。3D 建造方法是这些打印机最常被采用的地方。
3D 打印如何应用于建筑行业？
自 1980 年代以来，关于 3D 打印技术已经提出了几个问题。然而，该方法本身的进步使其具有了更大的相关性，该方法能够通过叠加连续的材料层来构建三维物体。这种建造方法非常灵活，可以用于建造特定的项目元素，以及各种复杂的结构，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。
实施这项技术在建筑中所需的大部分知识都来自于设计阶段。由于该行业已经具备计算机辅助制造方面的专业知识，并且 BIM（建筑信息模型）在建筑行业蓬勃发展，因此集成 3D 打印技术的难度较小。3D 打印机从 CAD 或 BIM 程序中获取必要的信息，机器开始根据信号叠加材料层。这可以使用多种材料来完成，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，3D 打印在过去十年中取得了积极进展，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。这使其从 2021 年到 2028 年的复合年增长率提高了 91.5%。
全球建筑中的 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。与 1800 年只有 3% 的人口居住在城市相比，到 1900 年，城市人口增加了 15%。到 2050 年，世界经济论坛预测，全球三分之二的人口将居住在主要城市，而目前这一比例为 55%。
目前，全球正在建设许多支持 3D 打印使用的政府倡议。迪拜是选择在这场竞赛中占据领先地位的城市之一，到 2030 年，25% 的建筑物必须使用 3D 打印技术建造。
图表 1
图表 2
建筑中 3D 打印的可用技术
机器人臂挤出机
机器人臂挤出机是目前市场上 3D 打印技术中的热门产品。这种技术被称为轮廓塑造。它的功能类似于桌面 FDM 3D 打印机。轨道以一种模式设置，允许机器人臂逐层穿过它们，同时挤出从喷嘴中出来的混凝土。这种 3D 打印 XL 建筑物的方法是最流行的。
用砂子进行 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 程序类似。首先用他的 D-Shape 3D 打印机对其进行测试的是意大利建筑师 Enrico Dini。在用粘合剂固定结构形状之前，机器会在表面涂上砂粉。这类似于金属 3D 打印机的操作。
金属技术
WAAM（电弧增材制造）由荷兰初创公司 MX3D 开发，用于承重更大的结构，如桥梁。该公司将工业机器人和焊接机结合起来，结果是一台专为该任务创建的软件操作的 3D 打印机。该机器人具有 6 轴配置，用于 3D 打印金属结构。
3D 打印在建筑中的优势
·增强设计灵活性 –创建复杂的设计是 3D 打印可以解决的一个重要的建筑难题。构建 3D 打印机使用可以编程来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，建筑信息模型改变了建筑设计。它在建筑物和结构真正建造之前就显示了它们的图像。通过与 BIM 集成并以近乎完美的精度执行复杂的设计，建筑 3D 打印可以推进这一突破。
·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。
·助力绿色建筑施工–最受欢迎的建筑类型正迅速转向绿色。 由于人们对气候变化的意识日益增强，建筑公司已开始使用绿色施工方法。 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消耗更多的电力。 除了以如此高的容量发电对环境造成的成本之外，满足如此大的电力需求也很昂贵。
·3D打印机价格昂贵–由于该技术仍处于起步阶段，目前使用3D打印在经济上是不可行的。 设置用于建造结构的3D打印设施所需的初始投资是巨大的，并且以其目前的配置，在主要建筑领域中实施它也过于昂贵。
·材料稀缺–3D打印机无法使用常规建筑材料。 3D打印机需要尚未广泛使用 的专用材料。 由于材料因稀缺和昂贵的打印机而导致成本大幅增加，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在莫斯科建造了一座3D打印房屋。 这座房屋是同类房屋中第一个在房屋建筑中使用自动化的房屋，并且与任何其他混凝土结构相同。 建筑总成本低于10,000美元。
2. 迪拜世界上最大的3D打印建筑
最近，中东，尤其是在阿联酋，出现了新的技术进步。 吉尼斯世界纪录已经证实了Emirates Tower Complex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。 这座由Apis Cor建造的两层楼建筑的表面积为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
世界范围内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的第一座3D打印房屋。 从那时起，该公司建造了拥有2,000座房屋的社区，所有这些房屋均使用3D打印建筑技术建造。
未来
世界范围内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、改变行业的变革性技术，它将解决目前困扰建筑行业的几个问题。 雄心壮志是巨大的；例如，到2030年，迪拜25%的新结构预计将是3D打印的。 可以毫不夸张地说，3D打印在建筑领域的使用前景广阔。
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。 传统建筑方法可能效率低下、成本高昂、耗时且对环境有害。 借助3D打印的准确性、速度和可靠性，土木工程师有很多机会来应对这些挑战，并可能使设计和建造宜居结构更容易、更实惠。
作者：Sonu Kumar Sah
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