创想智造解读:3D打印建筑材料及工作原理

发表于 2017-9-28 16:25:22 显示全部楼层 1 6393

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建筑业发展到今天,应用在建筑行业的材料种类数以万计,由于3D打印技术发展起步较晚,最近几年才将此技术应用在建筑行业,目前适用于3D打印技术的建筑材料凤毛麟角。

3D打印建筑材料分类

1、GRG 材料
GRG 材料是通过采用超细结晶石膏为原材料,将具有专用连续刚性的增强玻璃纤维和它混合制成的产品材料。这种材料具备不易形变、质量轻、高强度、防火性能好、环保、会呼吸、加工周期短等优点,常用于异形产品的加工制作上。大型剧院、会展中心、报告厅、体育场等大型工程上常常应用到GRG材料,上海世博中心大会堂就是应用GRG材料建造。

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用 GRG 材料加工的异形柱

2、混凝土类材料
混凝土类材料无论是在传统建筑生产中还是新兴数字化技术3D打印技术领域里,仍然是利用率最高的材料。这离不开混凝土材料具备的抗压强度高、耐久性好、耐火、可塑性强等优点,由于混凝土材料具有可塑性强的优点,因此在打印过程中可一体成型,不需要借助模板支模。目前,在3D打印建筑行业领域,最常见的就是应用混凝土类材料作为基材料并结合“轮廓工艺”,进行建筑构件的打印。

与现有的浇混凝土施工工艺的不同,建筑 3D 打印所用的混凝土材料与传统的施工技术所用到的混凝土材料在性能方面有很大的不同。传统的施工工艺通常是先支模板,然后将混凝土灌入进模板中振捣,并最终形成所需要的建筑结构或构件,而建筑 3D 打印是将胶凝材料从喷嘴中挤出,然后层层叠加以得到需要的建筑实体。

建筑3D打印基本原理

建筑3D打印就是利用层层堆积的基本原理,采用工业机器人逐层重复铺设材料层构建自由形式的建筑结构的新兴技术。建筑3D打印机的构成和传统打印机基本一样,一般都包括控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等。建筑3D打印机根据电脑上设计的完整的三维模型数据,通过一个运行程序将材料分层打印输出并逐层叠加,最终将计算机上的三维模型变为建筑实物。但具体的打印过程有FDM类型和3DP类型。

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混凝土喷挤分层建造工艺

FDM类型即挤出固化打印,是指用喷嘴挤出胶状材料,然后层层堆积至所需高度的一种打印工艺,例如混凝土打印。其核心工艺是混凝土喷挤分层建造方法,具体来说,即基于水泥砂浆的挤压和材料本身的凝固过程,并且每打印一层材料就添加一层钢筋网,直至整体构件打印完成后植入竖向钢筋。混凝土打印技术具备较高的三维自由度和较小的浆体沉积分辨率,因此对构件打印的内外几何尺寸有更好的控制。

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铺设混凝土

3DP类型是指选择性粘结固化打印,通过喷挤粘结剂来选择性地胶凝硬化每一层的粉末,直至最后一层硬化完毕,再清除剩余未粘结粉末,即可完成建筑的自动化建造。

一般情况下,用于 3D 打印快速成型中的支撑结构有两种形式。第一种,是采用其他强度较低的材料进行打印支撑结构,等其他部分打印完毕并凝固后,去除这些强度低的支撑部件。第二种,就是选择性粘结固化采用的这种打印工艺,层层铺粉末材料,没有粘结到的部分可以作为支撑结构,等打印完毕凝固后,再去除没有被粘结固化的粉末材料,这些材料还可以重新回收利用。但目前室外的建筑打印多是采用混凝土打印方式。

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填充保温性材料

建筑3D打印的效率远远高出传统的建筑模式,据报道上海在24 小时内打印了10栋房屋,而且据称房屋寿命可达上百年。待房屋主体结构打印完毕之后,可在墙体内部填充保温材料,对外墙等处理之后便可使用。

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铺设防水层

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粉刷墙体

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安装门窗

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水电系统

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3D打印房屋构造

当然,建筑 3D 打印技术还是一项新兴技术,还有很多不成熟之处,人们对于建筑 3D 打印技术还存在诸多疑虑,3D 打印建筑的抗压强度、抗折强度、抗拉强度、耐久性等综合性能还有待验证。并且,目前建筑 3D 打印技术还仅限于打印底层建筑,如何打印高层建筑仍然是一个亟待解决的难题。

本文参考《一种基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证》《增材制造技术原理及其在建筑行业的应用研究》

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