“構建未來：探索3D列印在建築中的潛力”
從電腦輔助數位檔案製造三維固體產品的技術被稱為 3D 列印，也稱為增材製造。
起初，“3D 列印”一詞指的是使用噴墨印表機頭將黏合劑材料逐層沉積到粉末床上的過程。然而，現在的定義涵蓋了更廣泛的增材製造工藝，包括選擇性雷射熔融和電子束增材製造。
早在 1980 年代，日本發明家小玉秀男開發了兩種用於創建三維塑膠模型的增材技術，這引發了增材製造的想法。他使用光硬化熱固性聚合物創建了 3D 列印結構。
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什麼是 3D 印表機？
簡而言之，3D 印表機採用由 3D 技術驅動的 CAD（電腦輔助設計），以各種材料（包括熔融塑膠、粉末和混凝土）生產 3D 物品。可以使用各種 3D 印表機創建 3D 列印房屋，其尺寸和設計範圍從小型的桌面建築模型到大型結構。3D 印表機分為三個基本類別，它們的運作方式略有不同。
3D 印表機的類型
· 立體光刻 (SLA printers) – 使用立體光刻 (SLA) 技術的 3D 印表機可以將液態樹脂轉化為塑膠。
· 選擇性雷射燒結 (SLS printers) – SLS 印表機（選擇性雷射燒結）：這些印表機使用雷射將聚合物粉末顆粒燒結成固體結構。
· 熔融沉積成型 (FDM printers) – 這些印表機透過加熱噴嘴釋放熔融熱塑性長絲來創建分層物件。3D 建築方法最常採用這些印表機。
3D 列印如何應用於建築業？
自 1980 年代以來，人們對 3D 列印技術提出了許多問題。然而，該方法本身的進步（透過疊加連續的材料層來實現三維物體的構造）使其具有更高的相關性。這種建造方法具有很強的適應性，可用於建造特定的專案元素，以及各種複雜的結構，包括房屋或居住空間、辦公室、橋樑、牆壁、模組化結構、加固模具、柱子、城市傢俱，甚至裝飾元素。
在建築中實施此技術所需的大部分知識來自設計階段。由於該行業已經擁有電腦輔助製造的專業知識，並且 BIM（建築資訊模型）在建築業務中蓬勃發展，因此整合 3D 列印技術並不困難。3D 印表機從 CAD 或 BIM 程式獲取必要資訊，機器開始根據訊號覆蓋材料層。這可以使用多種材料來完成，其中最流行的是沙子、纖維、地質聚合物和混凝土的混合物。
根據 Research and Markets 的一項調查，在過去十年中，3D 列印取得了積極的進展，預計到 2028 年，其在建築業的市場價值將達到 1,034,096.7 千美元。這使其從 2021 年到 2028 年的複合年增長率提高了 91.5%。
全球建築中的 3D 列印
人們對建築和更好的基礎設施的需求越來越大，尤其是在大城市。與 1800 年僅有 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%。世界經濟論壇預測，到 2050 年，全球三分之二的人口將居住在主要城市，高於目前的 55%。
目前，許多政府計畫都在全球範圍內支持 3D 列印的使用。杜拜就是選擇在比賽中領先的城市之一，到 2030 年，該市 25% 的建築物必須使用 3D 列印技術建造。
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建築中 3D 列印的可用技術
機械手臂擠出機
機械手臂擠出機是目前市場上流行的 3D 列印技術。這種技術稱為輪廓工藝。它的功能類似於桌面 FDM 3D 印表機。軌道以一種模式設置，允許機械手臂逐層通過它們，同時擠出從噴嘴出來的混凝土。這種 3D 列印 XL 建築的方法是最流行的。
使用沙子進行 3D 列印
工業 3D 列印工藝（如 SLS（選擇性雷射燒結）和 Jet Fusion）與此處說明的 3D 步驟相似。義大利建築師 Enrico Dini 是第一個用他的 D-Shape 3D 印表機進行測試的人。在使用黏合劑鞏固建築物的形狀之前，機器會在表面塗上一層沙粉。這與金屬 3D 印表機的運作方式類似。
金屬技術
荷蘭新創公司 MX3D 開發了 WAAM（線弧增材製造），用於橋樑等受力較大的結構。該公司將工業機器人和焊接機結合在一起，結果是一款在專為該任務創建的軟體上運作的 3D 印表機。該機器人具有用於 3D 列印金屬結構的 6 軸配置。
3D 列印建築的優點
· 增強的設計靈活性 – 創建複雜設計是建築方面的一個重大難題，3D 列印可以解決這個問題。建築 3D 印表機使用可以編程以執行複雜和困難設計的電腦程式。
· 適應 BIM – BIM 透過使用 3D 技術，建築資訊模型改變了建築設計。它在實際建造之前顯示了巨大建築物和結構的圖像。透過與 BIM 整合並以幾乎完美的精度執行複雜的設計，建築 3D 列印可以推進這一突破。
· 減少人為錯誤 – 3D 列印的基礎是預先編程的自動化操作，不受人為影響。這基本上消除了人為造成的錯誤。此外，3D 印表機不需要太多的人工監督。
· 有助於綠色建築施工 – 最流行的建築類型正在迅速轉向綠色建築。由於氣候變遷意識的提高，建築公司已經開始採用綠色建築方法。透過使用廢棄和重新利用的建築材料來生產 3D 列印結構，3D 印表機可以在這項工作中發揮重要作用。
3D 列印建築的缺點
· 高耗電量 – 3D 印表機比任何其他傳統建築技術消耗更多的電力。除了以如此高的容量發電所產生的環境成本外，滿足如此巨大的電力需求也很昂貴。
· 3D 印表機價格昂貴 – 目前使用 3D 列印在經濟上是不可行的，因為該技術仍處於起步階段。為建築結構設置 3D 列印設備所需的初始投資非常大，並且以目前的配置來看，在主要建築領域實施的成本過高。
· 材料稀缺 – 普通建築用品不能與 3D 印表機一起使用。3D 印表機需要專用材料，這些材料尚未得到廣泛使用。由於材料因稀缺而導致的成本大幅增加，以及昂貴的印表機，因此大規模建築中使用它並不可行。
建築中 3D 列印的市場規模
1. 莫斯科的 3D 列印家庭住宅
美國科技公司 Apis Cor 在莫斯科建造了一座 3D 列印房屋。該房屋是同類房屋中第一座在房屋建造中使用自動化的房屋，並且與任何其他混凝土結構相同。總建造成本不到 10,000 美元。
2. 杜拜世界上最大的 3D 列印建築
最近，中東地區，尤其是在阿聯酋，出現了新的技術進步。《吉尼斯世界紀錄大全》已經證實了阿聯酋航空塔複合體聲稱它是世界上最大的 3D 列印建築，延續了 3D 列印的這一趨勢。這座由 Apis Cor 建造的兩層樓建築，佔地面積 640 平方米，高 9.5 米。
3. 北美和加勒比海地區的 3D 列印房屋
世界各地的社群和非營利組織正在採用混凝土 3D 列印技術來解決經濟適用房危機。例如，非營利組織 New Story 在創紀錄的 24 小時內建造了墨西哥第一座 3D 列印房屋。從那時起，該公司已經建造了 2,000 棟房屋的社區，所有這些房屋都是使用 3D 列印建造技術建造的。
未來
世界各地越來越多的專案表明，3D 列印結構有可能成為一項具有革命性意義、改變行業的技術，它將解決目前困擾建築行業的幾個問題。雄心壯志非常巨大；例如，預計到 2030 年，杜拜 25% 的新結構將採用 3D 列印。可以說，3D 列印在建築行業中的應用前景廣闊。
結論
儘管 3D 列印仍然存在許多長期存在的問題，但建築行業已準備好進行創新。傳統的建築方法效率低下、成本高昂、耗時且對環境有害。由於 3D 列印的準確性、速度和可靠性，土木工程師有許多機會應對這些挑戰，並可能使設計和建造宜居結構變得更加容易和經濟實惠。
作者：Sonu Kumar Sah
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