“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 20 世纪 80 年代，日本发明家 Hideo Kodama 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。
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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），该 CAD 由 3D 技术提供支持，可使用多种材料（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，这些打印机的尺寸和设计范围从适合在桌面上的小型建筑模型到大型建筑模型不等。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
· 光固化 (SLA printers) – 使用光固化 (SLA) 技术的 3D 打印机可以将液体树脂变成塑料。
· 选择性激光烧结 (SLS printers) – 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 printers) – 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 构造方法是这些打印机最常用的地方。
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 打印技术提出了一些问题。然而，该方法本身的进步，通过叠加连续的材料层来实现三维物体的构造，使其相关性日益增强。这种建造方法具有很强的适应性，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、钢筋模具、柱子、城市家具，甚至装饰元素。
在施工中实施这项技术所需的大部分知识来自设计阶段。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 3D 打印技术的集成难度较小。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。
Research and Markets 的一项调查显示，在过去十年中，3D 打印技术取得了积极的进展，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。这使得其从 2021 年到 2028 年的复合年增长率提高了 91.5%。
全球建筑领域的 3D 打印
人们对建筑和更好的基础设施的需求越来越高，尤其是在大城市。与 1800 年相比，当时只有 3% 的人口居住在城市，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，许多政府的倡议都在全球范围内支持 3D 打印的使用。迪拜是选择在这场竞赛中领先的城市之一，到 2030 年，该城市 25% 的建筑物必须使用 3D 打印技术建造。
图表 1
图表 2
建筑领域 3D 打印的可用技术
机械臂挤出机
机械臂挤出机在目前市场上的 3D 打印技术中很受欢迎。这种技术被称为轮廓工艺。它的工作方式类似于桌面 FDM 3D 打印机。导轨以一种模式设置，允许机械臂逐层穿过导轨，同时挤出从喷嘴中出来的混凝土。这种 3D 打印 XL 建筑物的方法是最受欢迎的。
沙子 3D 打印
像 SLS（选择性激光烧结）和 Jet Fusion 这样的工业 3D 打印工艺与此处解释的 3D 过程相当。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。在用粘合剂加固建筑物的形状之前，机器会用沙粉涂抹表面。这与金属 3D 打印机的运行方式相似。
金属技术
WAAM（线弧增材制造）是由荷兰初创公司 MX3D 开发的，用于承受更大压力的结构，如桥梁。该公司将工业机器人和焊接机结合在一起，其结果是 3D 打印机，该打印机在专门为该任务创建的软件上运行。该机器人具有 6 轴配置，用于 3D 打印金属结构。
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，建筑信息模型已经改变了建筑设计。它在巨大的建筑物和结构真正建造之前显示它们的图像。这种突破可以通过与 BIM 集成并以几乎完美的精度执行复杂设计来通过建筑 3D 打印来实现高级化。
· 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。这基本上消除了由人造成的错误。此外，3D 打印机不需要太多的人工监督。
· 有助于绿色建筑施工 – 最流行的建筑类型正在迅速转向绿色。建筑公司已经开始使用绿色建筑方法，这是由于人们越来越意识到气候变化。通过使用废弃和重新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 打印结构的缺点
· 高功耗 – 与其他任何传统施工技术相比，3D 打印机使用的电力更多。除了以如此高的容量生产电力的环境成本外，满足如此巨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，因此现在使用 3D 打印在经济上是不可行的。建立用于建造结构的 3D 打印设施所需的初始投资非常大，并且以其目前的配置，在主要建筑领域实施它过于昂贵。
· 材料稀缺 – 常规建筑用品不能与 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。由于材料的稀缺导致成本大幅增加以及昂贵的打印机，因此采用它进行大规模建筑是不可行的。
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。这座房子是同类房屋中第一座在房屋建造中使用自动化的房屋，并且与任何其他混凝土结构相同。总建造成本不到 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》已经证实了阿联酋塔楼综合体的说法，即它是世界上最大的 3D 打印建筑，从而延续了 3D 打印的这一趋势。这座由 Apis Cor 建造的两层建筑，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。从那时起，该公司建造了拥有 2,000 栋房屋的社区，所有这些房屋都是使用 3D 打印建筑技术建造的。
未来
世界各地越来越多的项目表明，3D 打印结构有潜力成为一项革命性的、改变行业的颠覆性技术，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，预计到 2030 年，迪拜 25% 的新结构将使用 3D 打印。毫不夸张地说，3D 打印在建筑行业中的应用前景广阔。
结论
尽管 3D 打印仍然存在许多长期存在的问题，但建筑行业已经准备好进行创新。传统的施工方法可能效率低下、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，土木工程师有很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经济。
Author: Sonu Kumar Sah
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