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2019年度建筑3D打印行业技术与应用发展报告

2019年度建筑3D打印行业技术与应用发展报告

作者:
大连泰山新实业有限公司
来源:
大连泰山
发布时间:
2020/02/22
浏览量
【摘要】:
在世界3D打印建造领域的优势地位作为战略目标,通过建立3D打印建造材料体系、3D打印建造设备体系、3D打印建造标准体系以及3D打印建造示范工程建设等措施推动战略目标的实现。

3D 打印是一种以数字模型为基础,运用粉末状金属或非金属材料,通过逐层打印的方式来构造物体空间形态的快速成型技术。由于其在制造工艺方面的创新,被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。3D 打印的思想起源于19 世纪末的美国,并在20 世纪80 年代得以发展和推广。3D 打印技术正在被应用于越来越多的领域,比如航空航天、工业设计、医疗、艺术设计、建筑模型和教育等领域,近几年来3D打印技术在打印建筑的应用中也得到了突破,新型的、智能化的建筑3D打印技术在行业内的关注度也不断提高,由于其在打印建筑在自由度、个性化创造、原材料利用率、省工等多个方面的优势,在未来具有很大的发展也应用前景。

虽然我国3D产业政策规划起步较晚,但是后发优势较为明显。在借鉴国外发展经验的同时,我国政府加快了政策出台频率,并全面统筹规划内容,支持力度更大。2013年4月,3D首次入选《国家高技术研究发展计划(863计划)》和《国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》,将3D打印提上以科技推动制造业转型的日程;2015年2月,我国出台《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》则将3D打印正式升格为国家战略,以全方位产业战略规划的形式推进3D产业良性发展。2016年8月,住房城乡建设部下发了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》 对3D打印技术有了新的指示:“积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究。结合BIM技术应用,探索3D打印技术运用于建筑部品、构件生产,开展示范应用。”

一、建筑3D打印技术发展概况

建筑3D打印技术是将3D打印与建筑施工有机结合起来的一种新型建筑技术。建筑3D打印的原理是将需要打印的建筑构件利用计算机软件进行模型分割,将三维的图形信息转化为打印路径以及打印速度,将混凝土或砂浆拌合物通过输送系统泵送至打印头,通过建筑3D打印机依照软件预先处理好的路径在XYZ轴的走位,使打印材料逐层叠加,最终制备得到建筑构件。建筑3D打印技术中的打印混凝土、砂浆材料由于具有的可塑性、工作性、触变性以及早期的力学性能有别于传统材料的性能,是一种新型建筑材料。3D打印建筑技术与传统建筑相比,其优势在于速度快,不需要使用模板,不需要数量庞大的建筑工人,可以节省人力成本、提高建造效率;可以非常容易地打印出其他方式很难建造的高成本曲线建筑。

1. 建筑3D打印设备发展概况

建筑3D打印设备是实现高精度连续分层布料免模板建造的重要手段,也是实现建筑设计与建造一体化中的重要工具。建筑设计中呈现的空间复杂性以及表面外形渐变特征,对于传统的以手工建造为主的建造技术来说是一个巨大的难题,而打印设备给了这个问题一个正面的解答:基于参数的操作模式,打印设备使这种高性能建筑的设计与建造真正成为一套连续完整的模式。

随着3D打印技术的发展,混凝土3D打印设备已经开始应用于制作建筑大型构件,依托于不同成型原理的打印技术也得到不断发展,其中以湿料挤出工艺为基础的挤出成型类3D打印设备占据了主导地位。湿料挤出成型技术是以熔积成型技术-FDM为原型,由混凝土湿料替代FDM技术中的石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝等丝状材料原料,通过挤出头打印出各种形状的结构。目前,基于湿料挤出成型技术为原理开发的混凝土3D打印系统类型繁多。根据打印系统的结构形式分类,可分为直角坐标结构、极坐标结构、球坐标结构、关节式结构以及复合式结构。

(一)直角坐标结构

Contour Crafting(简称CC)打印系统是最悠久且仍在流行的混凝土打印技术之一。这项技术由南加州大学Khoshnevis教授于1998年第一次公开提及。建筑3D打印机结构采用设备为龙门吊车形式,在导轨式移动。横梁可以上下摆动前后移动,模块化设计,打印头在横梁上左右移动,打印材料经过干混砂浆混浆泵或打印用混凝土泵车搅拌后,输送到挤出打印头,通过电脑控制实现材料打印。

Concrete Printing(简称CP)打印系统由Richard Buswell博士和Simon Austin教授率领的拉夫堡创新型制造和建造研究中心(IMCRC)团队开发,打印系统5.0m×5.0m×6.0m,可实现2m×2.5m×5m的大型混凝土构件打印。

中国建筑技术中心于2014年开始致力于建筑3D打印技术的研究,开发出了一系列CSCECTC打印系统,通过智能化控制实现了输料和布料系统之间的协同工作。2019年中建技术中心与中建机械合作设计开发大型混凝土3D打印系统,可原位打印尺寸为16m ×13m × 10m的建筑。此系统主要用于制作足尺寸建筑部品及景观构件,同时具备了智能化的布料打印能力,可实现任意图形的布料打印。

(二)极坐标结构

Apis Cor移动式3D打印机由俄罗斯设计师Nikita Chen-iun-tai于2016年设计,其结构不是传统XYZ三轴设置,由一个360°可旋转底座和可伸缩臂展8.5m的旋转手臂构成,配有自动混料装置、建造材料供应装置和可运输储存干混料的储料桶。打印速度为1~10m/min,X/Y轴的位移精度为0.5mm,往复位移精度为0.2mm,Z轴位移精度为0.1~0.2mm。混凝土泵的供应量为30L/min,最大承受压力为20Bar,最大供应高度30m,最大供应长度80m。

(三)球坐标结构

BigDeltaWASP打印系统是由WASP团队于2015年在意大利设计,2016年开始进行打印可行性实验。其设计初衷是通过模仿陶土蜂的动作,将泥土逐层堆积建造他们的家园。机器包括机械架体、控制系统、挤出系统和水泥搅拌机,总高39英尺(约12米),整个打印区域位于格子框架下方。这台打印机最初是作为一种使用当地材料建造廉价住宅的方法。

(四)关节式(机械手)结构

关节式结构以CyBe 3Dp打印系统为代表,由荷兰公司CyBe Construction于2013年开始开发,通过将打印头安装在一个机械手臂上,实现砂浆3D打印。第一代打印系统名为CyBe R 3Dp,是一种模块化3D混凝土打印系统。硬件方面,该系统包括机械手(臂展2.75米)、混合泵系统和带接口的控制单元;软件方面包括CyBe CHYSEL切片软件、CyBe ARTISAN控制软件。打印机通过CyBe ARTISAN控制,与切片软件CyBe CHYSEL配合使用,将3D模型转换成Gcode文件以便打印机读取。随后利用系统配套的CyBe MORTAR材料即可在相对较短的时间内进行3D模型打印。系统打印的平均速度为200mm/s。

2. 建筑3D打印材料发展概况

建筑3D打印技术最重要的技术之一是材料技术。3D打印机是实现材料到产品的一个途径,随着工业精密机床技术和机器人技术不断发展趋于成熟,使得制造一个符合技术要求的3D打印机成为可能。但是能够满足3D打印技术去制造产品的材料技术才是3D打印技术的根本。因此,建筑3D打印材料是实现建筑3D打印首要解决的技术问题之一。

建筑3D打印材料是在传统建筑原材料基础上对传统混凝土材料的改进与升华,所以它的性能首先要满足现有标准中建筑物对混凝土强度和耐久性能的要求。另外从经济性和环保性能方面来说,它应该满足原材料就地取材,材料成本低,绿色环保等要求。打印混凝土的性能还必须具备满足建筑3D打印工艺要求的性能,建筑3D打印工艺由于是没有模板的堆积成型技术,所以打印材料的可堆积性和在塑性阶段下层材料对逐渐增加的上层材料的承载力是最重要的性能。建筑3D打印工艺对打印材料的性能要求主要有以下几个方面:

(1)凝结时间:3D打印材料应该具有初凝时间可调,初、终凝时间间隔小的特点;初凝时间可调是指可根据打印长度和高度大小以及打印速度的快慢调整材料达到初凝的时间;初、终凝时间间隔小,是为了保证打印材料有足够的强度发展速率,保证材料具有在不同高度材料自重作用下不变形的承载力。

(2)强度:打印混凝土应该具有足够的早期强度,特别是1-2小时内的早期强度应该发展较快,能够保证在连续3D打印施工过程中对建筑结构整体荷载的具有足够的承载力,保证打印结构的稳固不变形。建筑3D打印材料的后期强度保持一定的增长,从而满足建筑物本身对材料强度的要求。

(3)工作性:首先打印材料在被输送系统输送过程中应该具有一定的流动性,避免输送管路的堵塞,其次打印材料从打印头挤出后能够具有承受荷载不变形的能力,能够支撑自重以及打印过程中的动荷载的性能,这也就是要求建筑3D打印材料具有一定的触变性。

(4)层间粘结性:应该具有良好的层间粘结力,保证成型墙体的各项差异性小,保证层间的连接致密不渗水、打印的建筑物致密、稳固。

(5)工业化生产:建筑材料一般具有用量大,工业化集中生产的特点。所以3D打印混凝土的生产也应该考虑满足工业产品化制备,保证混凝土的性能稳定,同时也保证了在打印过程中材料的零损耗,易于使用的特点。

二、我国建筑3D打印技术应用新进展

近年来,3D打印技术在机械制造、航空、医疗等领域得到广泛的应用,并且逐渐拓展至建筑领域。3D打印技术能够有效解决建筑传统施工中存在的手工作业多、模板用量大、复杂造型难以实现等问题,并且在建筑个性化设计、智能化建造等方面具有显著优势。

1. 3D打印基础设施的应用

2019年1月,由清华大学-中南置地数字建筑研究设计团队设计研发,与上海智慧湾投资管理有限公司共同建造的3D打印混凝土步行桥在上海落成。这座桥长26.3米、宽度3.6米,采用单拱结构承受荷载,拱脚间距14.4米。整体桥梁工程采用两台机械臂3D打印系统,共用450小时打印完成全部混凝土构件。桥体由桥拱结构、桥栏板、桥面板三部分组成,桥体结构分为44块,桥栏板分为68块,桥面板共64块,均通过打印制成。这些构件的打印材料均为聚乙烯纤维混凝土添加多种外加剂组成的复合材料,具有可控的流变性,可满足打印需求。该步行桥运用了自主开发的混凝土3D打印系统技术,该系统由数字建筑设计、打印路径生成、操作控制系统等创新技术集成,具有工作稳定性好、打印效率高、成型精度高和可连续工作等特点。

图1 3D打印混凝土步行桥

2019年10月,由3D打印分会理事长马国伟教授智能建造团队自主设计建造完成了“装配式混凝土3D打印赵州桥”, 桥长28.10米,单拱跨度18.04米,桥宽4.20米。装配式3D打印赵州桥为单跨双腹拱结构,腹拱为三铰拱,拱上建筑与主拱进行结构刚度分离。采用模块式拼装,主拱部分合计21块。腹拱由24块宽度为0.7米的腹拱圈拼装而成。为了满足主拱打印的尺寸需求,研发了大型滑轨式机械波3D打印机,机械臂臂展3.3米、滑轨长度6米,可一次性打印成型长度11米左右的结构构件。

图2装配式混凝土3D打印赵州桥

2. 3D打印办公楼

由3D打印分会挂靠单位中建技术中心牵头,中建机械、中建二局华南公司参与建造的“原位3D打印二层办公楼”项目正在施工中,该办公楼建筑面积230平方米,高7.2米,目前已完成一层墙体的打印施工,预计11月中旬打印完成。自主研发的原位3D打印设备采用模块化、标准化生产和组装,并可以根据建筑物的尺寸对架体进行扩展,设备包括主体框架和运动打印系统两大部分,主体框架由导柱和顶部支撑组成,运动打印部分分为升降单元、水平移动单元、打印头单元和运动控制系统组成。

图3 原位3D打印办公楼(施工中)

3. 3D打印景观构件

与传统采用模具制作混凝土景观构件相比,采用3D打印工艺在小批量制作异形、复杂、个性化混凝土景观构件具有很大的优势。近两年来,随着混凝土3D打印技术的发展,一大批具有创造性的混凝土3D打印景观构件产品应运而生,包括3D打印景观牌匾、3D打印市政景观小品、3D打印公共设施等不同的类型。

图4 3D打印景观匾牌

图5 3D打印花坛

图6 3D打印公园桌椅

目前,在世界范围内建筑3D打印行业还处于探索和培育阶段,主要开展3D打印材料、设备等研发和小型构件的打印试验,采用3D打印技术建造大型基础设施和建筑的工程项目还很少,致力于建筑3D打印技术的企业数量和规模尚待增加。作为一个具有巨大发展前景的新兴行业,建筑3D打印行业需要国家政策的大力支持、基础研究的突破,也需要分会各成员单位的共同努力。

三、国际建筑3D打印技术应用新进展

2014年-2017年之间,美国、欧洲率先开展了建筑3D打印技术应用探索,利用多种类型的3D打印设备,陆续打印出大量景观构件、单层房屋等。近两年来,建筑3D打印技术应用的发展逐渐由我国相关研究院所和企业引领,国际上大型3D打印建筑项目相关的报道较少。

据公开资料显示,2019年10月,一座3D打印二层办公楼在迪拜落成。这栋办公楼高9.5米,总面积640平方米,混凝土墙体由一台3D打印机打印预制而成。

丹麦Cobod International公司开发出了大型3D打印设备,可打印长度27米、宽度12米,高度9米的建筑物,希望利用该设备实现楼房的原位打印,目前该设备尚未实施打印实际建筑试验。

虽然近两年国际上建筑3D打印大型应用项目较少,但美国、欧洲在3D打印设备、材料等方面的基础研究仍较我国有一定优势,3D打印分会将会利用协会平台,组织会员单位通过参加国际学术会议和前往国际优秀设备和应用企业调研交流,促进我国建筑3D打印行业的快速发展。

四、建筑3D打印技术存在的问题及对策

3D打印机技术虽然是一个新技术,但是它在继承传统的3D打印机技术以及工艺的基础上也有相应新的要求。建筑3D打印虽然拥有广阔的应用前景,但目前在打印材料、打印方式、打印设备、结构体系、设计方法、施工工艺和标准体系等方面存在着一系列问题,建筑3D打印目前发展的主要任务是解决上以下几个方面的问题。

(1)建筑3D打印相关软件的开发

目前市场上还没有针对3D打印的一种设计软件,我们用的更多的是平面设计图做平面的结构设计,施工图,但是在设计的时候根本没有考虑到材料的问题、工艺的问题以及结构、应力分析方面的问题。在建筑打印的领域里,房子结构往往是比较复杂的,机械产品设计的或者做传统的3D打印设备,当模型的结构程度非常复杂的时候,它的数据量非常庞大,大型建筑3D模型相比十几公分、几十公分3D模型的结构和数据量大得多,所以如何能够有效地解决这种大数据量的模型的设计和工作量,这是一个非常大的挑战。当一个3D模型的数据量是几百兆、上G的数据,普通的计算机很难承受得了,而且在运算模拟的时候,在仿真的时候,在进行运力分析的时候往往会遇到很多的问题。

未来的3D打印混凝土可能是多种材料同时打印。它有钢筋,有混凝土,还有管道、电路,这里面各种材质的分布跟建筑是有机的整体,建筑3D打印就是将这些材料有机的、完美的整合在一起打印出一座建筑。这个领域里面可以借鉴机械工程方面方面的建模。在3D打印建筑里面它是有机的整体,不像传统的制造里面结构往往是分离的,而是有机的整体,所以如何能够建立这种材料空间和结构空间有机的对应,我想这是在我们设计领域里面要克服的问题。基于现在传统的3D设计软件支持现在建筑打印的模型,从单色到多色,从单材质到多材质的建模的过程,以及从这种最原始的平面的设计和工程的计算,到工程的自动化的这样的结构分析。

(2)建筑3D打印技术的装备的开发

现在3D打印的设备往往都是小设备,它不足以去实现大工程的建筑物的设计和生产,或者是相应工艺的处理,必须要开发出专用的工艺设备。3D打印机的输出尺寸越大,打印机本身就越大,那么打印机的喷头活动范围要能够覆盖全幅的输出尺寸,那么必然会大一圈。在三维打印领域,这意味着:如果打印住宅则打印机需要比你的住宅大一圈。机器越大越难制造,更重要的是机器越大,打印精度和打印速度就会越差。建筑3D打印机其实就是一种大型的数控机床,它的这种设计、制造及其工艺,对于机械的自动化控制是很大的挑战。为了实现大体量建筑物的设计和生产,必须要开发出专用的打印设备。这种大型的数控机床,它的设计、制造及其工艺对于3D打印业界来说是很大的挑战。

另外还涉及到打印混凝土的输送和挤出工艺,目前大多数混凝土采用直接拌和好的单组分材料进行输送和打印,材料的泵送相对简单。但在以后采用多种材料打印或者双组分方式进行打印的时候,所对应的材料输送方式或者挤出成型方式就得需要更为复杂的解决方案。

在未来建筑3D打印设备将和现有的施工机器结合,包括机器手等, 设计的模块化组合,更灵活建筑施工方式等等。3D打印建筑装备开发要摒除闭门造车,而要整合资源,分工合作,才能综合现有技术优势取得一定突破。

(3)3D打印混凝土关键技术研究

打印材料是建筑3D打印的核心技术,未来建筑3D打印的发展和突破是以打印材料的突破为基础的。

目前采用的打印材料主要是以混凝土为基材,存在着抗拉强度低、抗裂性能差、韧性差、构件易脆性破坏等问题。因此,寻找具有良好性能的打印材料是建筑3D打印当前发展的关键。金属粉末打印材料的主要问题是价格,目前市场上1kg的钛合金打印材料价格在4000元以上,1kg的不锈钢打印材料的价格在1000元左右。如果打印金属节点和构件,其成本将非常巨大,价格因素是其推广应用的主要制约条件。

对于新材料应用于3D打印适应性的评估。随着新材料的不断发明及被引用至3D打印行业。首先应对这些材料用于3D打印的适用性进行定量定性的研究和评估,即材料的特性、力学性能指标、物理性能指标、化学性能指标(耐腐性、耐久性、耐高温、耐寒等)、颗粒大小、粉末颗粒可可溶性、热学、光学等特征,这一系列材料的特性将成为达到3D打印产品所要求的机械性能,特征分辨率、加工精度和表面质量的瓶颈。

现有的3D打印材料虽然较多,但适合建筑工程行业的材料仍然受到限制,另外现实中可用于建筑工程的某些金属、氯氧镁水泥等已有材料,比较昂贵且稀少,这跟相关配套的材料产能有很大关系,如果这种材料未被市场全面认可和接受,则大范围的市场化投产也是不可能的,所以材料的种类在未来很大一条路上仍然是3D打印应用的一大障碍。对3D打印构件的材料性质、力学性能的研究:3D打印生产出的构件是按层叠加的,其材料的组成和性能都不同于传统加工成熟的构件,因此还需要大量相应的材性试验来获取3D打印构件的各项性能指标、力学性能,例如材料的抗剪、抗弯、抗拉、抗扭、拉压等特性。

(4)打印建筑的结构体系及设计

3D打印材料与普通建筑材料的特性有所不同,传统的结构体系不能直接套用在3D打印建筑上,应研发与其材料特性、打印方式相匹配的,既能发挥3D打印优势,又能满足结构安全性要求的结构体系。目前建造3D打印在工程施工中的应用还属于探索阶段,没有成熟的设计理论和方法可以借鉴。由于3D打印建筑与传统的钢筋混凝土结构、砌体结构在材料性能和建造工艺上有较大区别,因此有必要在充分了解材料性能和构件性能的基础上研究适于3D打印建筑的设计理论和设计方法。

对于3D打印的局部构件与主体结构的连接方式的研究:包括连接的方式、强度、延性,同时由构件拼装起来的主体结构的整体抗震、抗风,是否满足现行规范的要求,还有耐冲击及撞击性也是无相应试验参数来检验。

(5)相关的技术标准、规范的建立

建筑3D打印技术作为一种全自动的施工方法,与传统的以人力为主的施工方法相比有诸多不同点,其在施工工艺方面需解决支撑、找平、配筋结构装饰一体化等问题。所以 3D打印建筑的打印材料标准、设计规范、施工规范、验收标准等一系列的标准体系的制定是建筑3D打印技术在发展过程中逐步形成的,应在市场的主导作用下,以企业为主体逐步发展完善。技术标准应按照企业标准、行业标准、国家标准的顺序来逐步建立,这也能更好的促进行业的研发加速。

目前,3D打印建造还处于起步阶段,在实体建造的相关基础性研究和工程应用中也略显不足,但3D打印建造发展潜力巨大,是目前建筑产业实现转型升级的重要突破口。因此,我们亟需明确其发展方向,理清其发展思路,制定其发展战略。我国的3D打印建造发展应体现国家意志,并与经济和社会发展需求、可持续发展紧密结合,3D打印建造发展战略应体现全局性、战略性以及前瞻性。3D打印建造的发展应以促进建筑业转型升级和确定我国在世界3D打印建造领域的优势地位作为战略目标,通过建立3D打印建造材料体系、3D打印建造设备体系、3D打印建造标准体系以及3D打印建造示范工程建设等措施推动战略目标的实现。