解析3D打印建筑技术和干混砂浆行业

　　3.增材建筑的工艺，装备和材料技术

　　a) 工艺技术线路

　　机械化建筑有两种主要方式：一是采用传统的建材，通过机器手对砖块进行砌筑。二是采用机器手进行3D打印建筑。机器手发展相对成熟。一个4轴的机器手就可以进行构件的自由曲面打印。对大型构件可以将机器手安装在塔吊上进行施工(塔吊需要相应改造)。

　　另外的方式，目前较为流行的是坐标导轨形式的打印机(类似于龙门吊或行车)，相对机器手，需要较大的占地面积。对于别墅，小高层建筑等专业打印机速度相对于机器手可以大幅度提高。

　　接下来是打印工艺。按照以前的叙述，我们广义地将理解建筑的3D打印方式 因为高楼建筑的数量级是普通汽车体积的1000-100000倍数。按照狭义的3D打印是不可能实现的。同时把一维的板材和型材成型方式归入3D打印的一部分，统称3D打印。比如在房屋整体现场打印中基础部分各房间的地板可以采用一维布料方式一次成型。楼板等采用预制件型材吊装。打印过程中还可以吊装门窗等，如果设计为嵌入式。这样的3D打印建筑或更确切自动机械化建筑成为可能。

　　b) 3D打印建筑打印工艺

　　建筑领域中的3D打印，目前典型的应用工艺有两种：

　　1) 轮廓构筑(CC=Contour Crafter ) 由美国南加州大学教授博士Dr。Behrokh Khoshnevis  (University of Southern California)发明。采用平行多喷嘴工艺。这里的打印”纸和墨”是一体的。

　　a) 平行多打印头，外轮廓侧面带抹刀

　　b) 单打印头，内外侧抹刀。打印头两侧抹刀设计可以改进。

图13：CC工艺，单打印头，两侧抹刀结构

　　c) 单打印头，无侧抹刀。依靠打印材料自身的可塑性和流动性成型。表面效果均匀。

　　轮廓建筑是针对建筑物所有墙体轮廓设计的，成型的轮廓就像模板，内部可以放置钢筋再填充常规混凝土。打印轮廓时也可以放置钢筋加强或临时支撑悬空部分打印。总之，打印中通过机器可以进行异性和异质部件的插入。

图16 轮廓内墙填充普通混凝土或轻质材料，还可以插入钢筋架

　　2) 粘接沉淀成型(SDM =Sticky deposition modeling) (类似SLM或FDM)，开发者为意大利人 Enrico Dini称之为D-Shape技术。原理是按照CAD模型数据在每层砂石粉上的设计区域打印胶水，反应硬化后清除散砂石粉，得到打印的物体。这种工艺是狭义上的3D打印。砂粉层是打印”纸”，粘结剂是打印”墨水”。但是对于大尺度的建筑这样打印机是非常庞大，砂石粉床的量也是巨大的。在富有砂石粉的地方并具备有利地形可以实现大尺度建筑打印，同时，还需要改进成型物的支撑形式。

　　3) MIP工艺

　　MIP工艺是杰斯亨维公司联合开发一种组合喷嘴(打印头)，采用”就位混合”的MIP(mixing  in position)工艺，它是一种多通道的混浆喷嘴。3-4原材料可以是粉料，骨料和液体，在需要时计量混合挤出。 通过适当的空气支撑系统可以做到真正的3D打印，不需要料床。其中一种形式见图解：

　　c) 3D打印建筑物表面效果

　　打印质量和材料特性，打印机原理，控制系统以及打印时间有关，下面的图片只是提供一个感性认识，因为没有比较的基础参数。

　　d) 装备技术

　　目前的3D打印建筑设备技术已经取得了长足的发展。轮廓构筑打印机器相对简单成熟，成本也低一些，打印材料是混凝土或干混砂浆，打印材料通过一台我们通常使用的混浆泵混浆和泵送至打印头的喷嘴，打印头通过伺服传动进行x轴的运动和上下垂直运动(z-轴)，打印头的y-轴运动时通过支撑打印头的龙门架，放置在两边的导轨上，通过电机使其在导轨上滚动运动。龙门架采用桁架结构，减低重量。

　　e) 材料要求：

　　现有的混凝土和干混砂浆是3D打印建筑的主要材料， 它们除满足现有标准外， 还必须具备以下性能：

　　·可塑性

　　·出喷嘴后速凝固快，

　　·成型好， 能支撑自身重量和打印中的动荷载

　　·下一层打印胶结不受影响

　　·自养护性

　　目前可用的3D打印建筑材料主要是无机胶凝材基的材料如混凝土和干混砂浆， 玻璃纤维增强石膏，  玻璃纤维增强砂浆、未来的钢纤维加强超高性能混凝土(UHPC)。

　　3D打印建筑材料的研发方向是无机胶凝材， 特别是水泥的研究和制备越来越重要， 在超高性能混凝土中(抗压强度>120 N/mm2 至 200 N/mm2)， 水泥是最关键成分， 其次是纤维。 纤维加强技术包括钢纤维将在3D打印建筑材料中起关键作用， 特别是在曲面房顶打印技术中， 除辅助支撑， 异物插入的可能性没有， 打印材料必须具备普通钢筋水泥的强度。 这里UHPC是用武之地。

　　化学添加剂， 特别是可塑性， 速凝材料在改性打印材料中应用。   另外， 就是所谓”建筑垃圾”。 就像当年的粉煤灰， 人们不知道其用途时认为才是垃圾。 建筑废料和老房拆迁破碎的墙体楼板， 其主要成分还是我们现在建筑常用的砂， 石灰， 水化的水泥， 这些都可以加工后作为很好的骨料填料使用。 德国科学家将这些废料研磨和和部分水泥混合后制成为普通硅酸盐水泥。

　　现在的绿色建筑， 城市再生矿山等理念， 人类已经从事这方面的研究。地球表面上最多的是粉尘， 砂， 泥巴， 如何改性它们成为适合的建筑材料是绿色建筑的主要课题。 人们已经发现， 将10%的含无机胶结材的混合改性物加入土壤混合后， 强度可以提高5-6倍。 土壤改性技术的发展将给建筑工艺方面的减材制造技术带来生机， 并且会越来越备受市场和城市规划重视， 它可以和自然和谐一体。

　　4.目前3D打印在建筑领域的发展状况

　　美国3D打印团队用轮廓构筑(CC)工艺，单打印头机器打印的混凝土城堡，非整体现场打印。部分预制打印再现场吊装。外观均匀的打印痕迹清晰。是目前较大的实物打印案例，占地面积为15平方米。