3D打印技术研究现状及在建筑领域的应用

摘 要：随着3D打印技术的不断发展，该技术已经突破传统生产加工行业的技术壁垒，让多元化、个性化的生产加工成为可能。本文主要介绍了3D打印技术产业发展现状以及在建筑领域的应用。

关键词：3D打印；3D虚拟模型；建筑行业3D技术

中图分类号：TP334.8；TU18 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）10-0182-02

Abstract：With the continuous development of 3D printing technology，the technology has broken through the technical barriers in the traditional production and processing industry，making it possible for diversified and personalized production and processing. This paper mainly introduces the development status of 3D printing technology industry and its application in the field of architecture.

Keywords：3D printing；3D virtual model；3D technology in construction industry

0 引 言

3D打印技术是一种从无到有的增材制造方法，该技术最早起源于美国并在20世纪末期逐渐得到推广。将该技术引入到生产加工、建筑工程等领域不用任何加工模具和大型机械设备，甚至不用在大型工厂便可进行生产加工活动，3D打印技术将会改变社会未来的发展方向，并且将会大大丰富人类生活方式。

1 3D打印技术概述

3D打印技术与传统的“去材制造”不同，可直接通过打印出实物的打印机制造出客户想要的产品，采用分层、叠层的加工方式制造出最终的实物。该技术无需占用大量的空间，也无需大型机械设备和复杂的模具，工作人员只要将想要制造的实物数据输入电脑，并投放一定的专用材料就能“打印”出想要的实物，这种制造过程不仅能简化产品制造程序，还能提升生产效率，大大降低生产成本。

目前，3D打印技术采用的材料种类有石膏、尼龙、PC、树脂、陶瓷等等，但这些材料与普通材料的性能、强度略有不同，材料的形态和性能参数也都是为3D打印技术专门订做。

2 3D打印国内外产业发展现状

随着我国“工业4.0时代”、“工业制造2025”等概念的提出，我国工业已进入快速发展的全新时代。纵观国际市场，各个国家都提出了要加快3D打印技术等相关产业的发展思路，为了鼓励该技术发展，发达国家也都制定了适合本国产业发展的积极政策。以日本为例，3D打印技术在该国发展的方向以个性化和小型化为主，该技术主要应用在宠物模型、动漫模型的制造中，日本政府并在2013年正式将3D打印技术列为国家经济发展战略目标，并促进各地区成立打印协会。而德国凭借着自己传统制造优势，不断将3D打印技术发扬光大，该国已经拥有了从微型到纳米到复制的专业技术，并在2014年采用FDM技术“打印”出一体化的车身框架。

我国的3D打印技术还处在发展的过渡阶段，很多公司都是采用与高校联合的方式发展打印技术，如北京殷化公司与清华大学合作开展技术研发，目前，我国该类型的公司已经拥有3D打印设备和部分打印所需材料的生产能力，并且已经将打印成品应用在我国的航天领域、生物医药领域，为促进我国相关产业的发展提供了强有力的技术支持。

3 3D打印技术分类及技术优势

目前，该行业在生产加工中主要采用的技术是3DP技术、FDM熔融层积成形技术、SLA立体平板印刷技术以及SLS选区激光烧结技术。

3DP技术是采用喷墨方式进行打印工作，将液态连接体铺放在粉末薄层上，将物件的横截面数据输入到程序内，以此打造实物。采用该技术能够直接将模拟数据输出成实物，连颜色都可以直接“打印”出来，节约了后期上色工序。

FDM熔融层积成形技术是将丝状的热熔性材料加热融化，机械喷头通过程序控制，能将完整的数据信息呈现出来，将丝状材料迅速喷涂在工作板上，经过快速冷却之后形成熔融层，机械喷头按照程序进行逐层“打印”，直到将所有数据信息打印完毕造出实物为止。该技术主要适用于精度较高的实体产品。

SLA立体平版印刷术是以树脂为原料，通过电脑对各个截面上的树脂进行逐行、逐点扫描，被电脑扫描过的区域会发生光聚合反应，之后粉末会固化成形并逐渐形成一层薄層。

该技术与上述技术原理类似，当第一层树脂粉固化完成之后，电脑会控制工作台向下移动一个固化薄层的厚度，并在已经固化成形的树脂粉末上再铺设一层液态树脂粉末，直到电脑读取完所有输入的数据，实物就被打印成型。该种技术打印速度较快，在打印过程中不用人工作操作，自动化程度较高，该技术主要应用于“高精尖”的实物模型打印工作。

SLS打印技术是在工作台上撒上粉末，但该粉末材质属于金属类或者非金属类，通过电脑控制激光喷头将已经输入的数据信息按照工作台的轮廓“烧结”成型，待第一层“烧结”成型之后，再进行第二层工作，层层打印成型之后就能造出实物模型。该种打印技术，制造工艺简单，可选用的材料种类繁多且打印速度快，主要应用于铸造业的模具制造生产环节。

3D打印技术的设计与制作流程如图1所示。依据3D打印技术设计与制作流程可以总结出该技术的主要优势：一是使用该技术进行加工生产可以提升材料的利用率，降低产品废品率；二是与传统制造工艺相比，能节约大量时间，还能制造出结构更为复杂的产品；三是在加工过程中无需使用任何模具及机械设备，缩短产品研发周期；四是产品制造成本更低，且产品精度更高。

4 3D打印技术在建筑领域的应用

科学家Pegna是将3D打印技术引入建筑领域的第一人，他选择的打印技术类似于选择性沉积法，先在基层铺设一层薄砂，并在薄砂层上铺设一层水泥，最后喷射蒸汽对薄砂和水泥进行固化。目前，在建筑领域普遍采用的打印技术有：D型工艺、轮廓工艺以及混凝土打印技术。这三种打印工艺略有不同，其适用范围如表1所示。

目前，國际和国内的3D打印技术在建筑工程领域主要应用在两个方面，一是建筑设计环节，利用电脑绘图软件进行建模操作；二是实际施工阶段，利用3D打印技术直接打印出建筑物。在设计环节中，设计师采用建模软件和绘图软件绘制建筑模型，并将最终的数据信息输入到3D打印机中，采用这种方法能给客户最直接的感官体验，不仅能够真实还原图纸中的建筑模型，还能降低原有模型制作成本，提升制作效率。在施工阶段，3D打印技术建造建筑的方式主要分为三类：一是全尺寸打印；二是分层次、分阶段打印；三是集群化装配式打印。集群化装配式打印技术是今后建筑领域3D打印技术发展的主要方向，打印机尺寸将不会受到建筑尺寸的影响，能够降低打印的智能化要求。

总之，在建筑领域采用3D打印技术进行工程建设，是我国建筑技术的革新，采用该技术不仅能够节约建筑成本和工期，还能降低施工过程对周边环境的影响，是一种低碳绿色化的施工手段。若该技术能够在建筑领域普及，那我国建筑行业将会发生翻天覆地的变化；但目前该技术只能打印出简单的建筑实物和低层建筑，并不能打印出高层建筑。

5 结 论

总而言之，随着3D打印技术的不断发展，我国各行各业将会发生翻天覆地的变化，同时也会给民众的工作和生活带来意想不到的变化。从目前我国现在的发展水平看，3D打印技术在生产制造、建筑工程等领域还有很长的路要走，但笔者坚信在未来该技术一定会成为颠覆建筑领域的核心技术。

参考文献：

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[2] 王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路 [J].经济纵横，2013（1）：90-93.

[3] 王月圆，杨萍.3D打印技术及其发展趋势 [J].印刷杂志，2013（4）：10-12.

[4] 罗涛.美国的3D打印产业 [J].高科技与产业化，2013（4）：58-59.

作者简介：胡波（1970.06-），男，汉族，陕西勉县人，高级工程师，本科。研究方向：电气设计。

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