“建構未來：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實體產品的技術稱為 3D 列印，也稱為增材製造。
最初，“3D 列印”一詞指的是使用噴墨印表機頭將黏合劑材料一層又一層地沉積到粉末床上。但是，該定義現在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 (Hideo Kodama) 開發了兩種用於創建三維塑膠模型的增材技術，從而產生了增材製造的想法。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？
簡單來說，3D 印表機採用 CAD（電腦輔助設計），該設計由 3D 技術驅動，可使用多種材料（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適合放在桌面上的小型建築模型到大型模型。3D 印表機有三種基本類別，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 printers (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。
· 熔融沉積建模 (FDM printers) – 這些印表機透過加熱的噴嘴釋放熔融的熱塑性長絲來創建分層物體。3D 建構方法是這些印表機最常使用的領域。
3D 列印如何應用於建築業？
自 1980 年代以來，人們對 3D 列印技術提出了一些問題。然而，該方法本身的進步，使得透過疊加連續的材料層來建造三維物體，使其具有越來越重要的意義。這種建造方法非常靈活，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、鋼筋模具、柱子、城市家具，甚至裝飾元素。
在建築中實施該技術所需的大部分知識來自設計階段。由於該行業已經具備電腦輔助製造的專業知識，並且 BIM（建築資訊建模）在建築行業蓬勃發展，因此整合 3D 列印技術的難度較小。3D 印表機從 CAD 或 BIM 程式獲取必要的資訊，並且機器開始依照訊號疊加材料層。這可以使用多種材料來完成，其中最受歡迎的是沙子、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，3D 列印在過去十年中取得了如此積極的進展，以至於預計到 2028 年，其在建築行業的市場價值將達到 1,034,096.7 千美元。這使得其從 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
對建築和更好的基礎設施的需求越來越大，尤其是在大城市中。與 1800 年只有 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%。世界經濟論壇預計，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%。
目前全球範圍內正在興建許多支援使用 3D 列印的政府計畫。杜拜是選擇在該競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。
圖表 1
圖表 2
建築中 3D 列印的可用技術
機器手臂擠出機
機器手臂擠出機在目前市場上的 3D 列印技術中很受歡迎。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，允許機器手臂逐層穿過軌道，同時擠出從噴嘴出來的混凝土。這種 3D 列印 XL 建築物的方法是最受歡迎的。
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 流程類似。義大利建築師 Enrico Dini 是第一個使用他的 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，機器會用沙粉塗覆表面。這與金屬 3D 印表機的運作方式類似。
金屬技術
WAAM（電弧增材製造）由荷蘭新創公司 MX3D 開發，用於橋樑等承壓更大的結構。該公司將工業機器人和焊接機結合在一起，結果是 3D 印表機在專門為該任務創建的軟體上運行。該機器人具有 6 軸配置，用於 3D 列印金屬結構。
3D 列印對建築的好處
· 增強的設計靈活性 – 複雜設計的創建是 3D 列印可以解決的一個重大的建築難題。建築 3D 印表機使用可以編程來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，建築資訊建模已經改變了建築設計。它在實際建造之前顯示了巨型建築物和結構的圖像。這種突破可以透過與 BIM 整合並以幾乎完美的精度執行複雜設計來透過建築 3D 列印來推進。
· 減少人為錯誤 – 3D 列印的基礎是免受人類影響的預先編程的自動化操作。這基本上消除了人為造成的錯誤。此外，3D 印表機不需要太多人工監督。
· 協助綠色建築施工 – 最流行的建築類型正在迅速轉向綠色。由於人們對氣候變遷的意識不斷增強，建築公司已經開始使用綠色建築方法。透過使用廢棄和再利用的建築材料來生產 3D 列印結構，3D 印表機可以在這方面發揮重要作用。
3D 列印結構的缺點
· 高功耗 – 3D 印表機比任何其他傳統的建築技術消耗更多的電力。除了以如此高的容量發電的環境成本之外，滿足如此大的電力需求也很昂貴。
· 3D 印表機價格昂貴 – 目前使用 3D 列印在經濟上不可行，因為該技術仍處於起步階段。為建造結構設置 3D 列印設施所需的初始投資很大，並且就其目前的配置而言，在主要建築領域實施它太過昂貴。
· 材料稀缺 – 常規建築用品不能與 3D 印表機一起使用。3D 印表機需要尚未廣泛使用的專用材料。由於材料因稀缺而大幅增加的成本以及昂貴的印表機，因此大規模建築中採用它並不可行。
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 在莫斯科建造了一棟 3D 列印房屋。該房屋是同類房屋中第一個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。總建造成本低於 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。《金氏世界紀錄大全》已經證實了阿聯酋航空塔綜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。這棟由 Apis Cor 建造的兩層樓建築，其表面積為 640 平方公尺，高度為 9.5 公尺。
3. 北美和加勒比海地區的 3D 列印房屋
全球社群和非營利組織正在使用混凝土 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棟 3D 列印房屋。此後，該公司建造了擁有 2,000 棟房屋的社區，所有房屋都是使用 3D 列印建築技術建造的。
未來
世界各地越來越多的專案表明，3D 列印結構有潛力成為一項革命性的、改變行業的技術，它將解決目前困擾建築行業的幾個問題。雄心壯志是巨大的；例如，預計到 2030 年，杜拜 25% 的新結構將使用 3D 列印。委婉地說，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。傳統的施工方法可能效率低下、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來應對這些挑戰，並可能使設計和建造宜居結構變得更容易和更經濟。
Author: Sonu Kumar Sah
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