3D打印建筑發(fā)展動態(tài)分析報告（上）

3D打印技術(shù)，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的重要制造技術(shù)，正隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐漸深入到汽車工業(yè)、機(jī)械制造、生物醫(yī)療、食品、教育、建筑、航天航空等工業(yè)領(lǐng)域。隨著人口的不斷增加，住房、工業(yè)等建筑的需求也不斷的增大。但隨著社會老齡化的不斷加劇、勞動力的喪失，傳統(tǒng)的施工工藝已經(jīng)不能滿足需求，使得住房問題也是迫在眉睫。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的成功應(yīng)用，為解決住房問題提供新的發(fā)展思路。

與傳統(tǒng)的建造工藝相比較，3D打印建筑技術(shù)具有施工速度快、工期短、施工成本低、材料利用率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點。可以說，3D打印技術(shù)在建筑業(yè)中應(yīng)用是一次巨大的改革創(chuàng)新，它所引領(lǐng)的產(chǎn)業(yè)變革有望成為建筑業(yè)未來的方向。因此，3D打印建筑將有著廣闊的發(fā)展前景。
通過了解國內(nèi)外3D打印技術(shù)和3D打印建筑發(fā)展的最新動態(tài)，學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展方向，填補(bǔ)集團(tuán)在3D打印建筑相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的空白。

報告內(nèi)容
第一部分：3D打印技術(shù)的發(fā)展及意義
1.1 3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程
1）3D打印技術(shù)的起源
3D打印技術(shù)最原始的思想在19世紀(jì)起源于美國，但是因為當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)并不發(fā)達(dá)，一直到20世紀(jì)80年代的時候才有了進(jìn)一步的發(fā)展。
1983年，查爾斯·赫爾發(fā)明了液態(tài)樹脂固化（或光固化)3d打印技術(shù)，并在第二年獲得了美國專利。

在20世紀(jì)80年代的中期，在美國的德州大學(xué)奧斯汀分校的Karl Deckard博士開發(fā)了SLS（選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）并且獲得了專利。
1986年，查爾斯·赫爾開發(fā)了第一臺商業(yè)3D打印機(jī)，有史以來第一件結(jié)合電腦繪圖、固態(tài)激光與樹脂固化技術(shù)的3D打印技術(shù)之專利證書。在此之后，3D打印技術(shù)才算是真正的面向了世界。

2）3D打印技術(shù)的發(fā)展
在1983年后，3D打印技術(shù)進(jìn)入了一個較快的發(fā)展階段。通過表1的表中，我們可以直觀的看出3D打印技術(shù)在一步步成熟起來。

表1 3D打印技術(shù)發(fā)展歷程

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)的發(fā)展越來越快，越來越貼近于生活，我們完全有理由可以相信3D打印機(jī)技術(shù)的發(fā)展會改變我們對世界的認(rèn)知。

1.2 3D打印技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國外方面，經(jīng)過30多年的探索和發(fā)展讓3D打印技術(shù)有了長足的進(jìn)步。
目前在全球3D打印機(jī)行業(yè)中，美國的3D Systems和Stratasys兩家公司占據(jù)了絕大部分的市場。除了以上兩家公司外，國外在3D打印這個領(lǐng)域擁有比較強(qiáng)技術(shù)實力或者比較有特色的企業(yè)和研發(fā)團(tuán)隊中，還有美國的Fab Home和Shapeways、英國的Reprap等。

在快速成型設(shè)備上，3D Systems公司是全球最大的開發(fā)公司。自從在2011年11月收購了3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation公司后，它就奠定了3D打印技術(shù)領(lǐng)域上的龍頭地位。Solidscape也不甘示弱，先是在2010年和傳統(tǒng)傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司簽訂了OEM（即代工生產(chǎn)）合作協(xié)議，生產(chǎn)HP品牌的3D打印機(jī)。在2012年4月更是和以色列著名3D打印系統(tǒng)提供商Objet宣布合并。目前，國際上的3D打印機(jī)制造業(yè)正在處于迅速的兼并與整合過程中，而行業(yè)的巨頭也是在加速崛起。

在歐美等發(fā)達(dá)國家，成功的3D打印商用模式已經(jīng)初步形成。在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域。3D打印技術(shù)可以憑借著自身的優(yōu)勢，以比較低廉的成本，較高的生產(chǎn)效率來生產(chǎn)小批量的定制部件，完成一些復(fù)雜而精細(xì)的造型。 與國外相比，國內(nèi)3D打印的發(fā)展相對來說比較晚，在技術(shù)上和市場上與國外發(fā)達(dá)國家還有一定的差距。

從20世紀(jì)90年代至今，國內(nèi)的眾多高校和企業(yè)開始自主研發(fā)3D打印技術(shù)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實體制造、FDM工藝等方面具有著科研優(yōu)勢：華中科技大學(xué)而在層實體制造工藝方面更具優(yōu)勢，并且已經(jīng)推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料；西安交通大學(xué)首先自主研制了三維打印機(jī)噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度達(dá)到0.2mm；在微制造、光電器件等領(lǐng)域，中國科技大學(xué)自行研制的八噴頭組合噴射裝置可以的得到應(yīng)用。雖然眾多高校都在自主研發(fā)3D打印技術(shù)，但總體而言，國內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國外相比還有較大差距。

此外，國內(nèi)的眾多企業(yè)也紛紛投入到對3D打印技術(shù)研究當(dāng)中，并實現(xiàn)了3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷售，如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業(yè)。這些企業(yè)有一個共同的特點由海外歸國團(tuán)隊建立，規(guī)模比較小，和國外的廠商相比，同類產(chǎn)比還處于低端。目前，國產(chǎn)的3D打印機(jī)在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面的商用還難以滿足需求，技術(shù)水平還有待進(jìn)步提高。和內(nèi)地相比較，港臺地區(qū)的3D打印技術(shù)引入起步比較早，應(yīng)用的更加廣泛。

1.3 發(fā)展3D打印技術(shù)的意義
英國的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志發(fā)表的《第三次工業(yè)革命》里面，把3D打印技術(shù)稱為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，這一觀點，引發(fā)了世人對3D打印的關(guān)注。作為新生事物，發(fā)展3D打印的意義何在？

第一，制造工藝的深刻變革。3d打印的特點在于通過逐層堆積材料進(jìn)行加工，而不是通過去除多余材料進(jìn)行加工。因此，這項工藝也被稱作“堆積制造”或“添加制造”。這改變了通過對原材料進(jìn)行切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)省了材料和加工時間，帶來了制造工藝的深刻變革。
第二，制造技術(shù)的重大飛躍。3d打印技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，綜合應(yīng)用了cad/cam技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)以及材料科學(xué)等諸多方面的技術(shù)和知識，3d打印技術(shù)的不斷成熟將推動包括新材料技術(shù)、智能制造技術(shù)和堆積制造技術(shù)實現(xiàn)大的飛躍。
第三，制造模式的一次“革命”。3d打印作為一種新的加工工藝，將改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個性化、定制化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)生產(chǎn)方式的根本變革。3d打印機(jī)的推廣應(yīng)用將減少產(chǎn)品推向市場的時間，產(chǎn)品用戶只要簡單下載設(shè)計圖在數(shù)小時內(nèi)通過3d打印機(jī)將產(chǎn)品“打印”出來，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線，不需要庫存大量的零部件，不需要大量的工人。

第二部分：3D打印建筑的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 3D打印建筑的概念
3D打印建筑技術(shù)是利用工業(yè)機(jī)器人逐層重復(fù)鋪設(shè)材料層構(gòu)建自由形式的建筑結(jié)構(gòu)的新興技術(shù)，這種工藝原理叫做增材制造，通過逐層累積最終形成一個成品。其構(gòu)成和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制組件、機(jī)械組件、打印頭、耗材和介質(zhì)等架構(gòu)組成的。根據(jù)電腦上設(shè)計的完整的三維模型數(shù)據(jù)，通過一個運行程序?qū)⒉牧戏謱哟蛴≥敵霾⒅饘盈B加，最終將計算機(jī)上的三維模型變?yōu)榻ㄖ�實物。一個房子或者一群房子，即使每幢建筑形態(tài)各異，都可以通過一個運行程序來自動構(gòu)建。

2.1 3D打印建筑的國外發(fā)展現(xiàn)狀
從1986年Charles Hull獨創(chuàng)了將數(shù)字資源轉(zhuǎn)換成實體模型的技術(shù)到現(xiàn)在的3D打印技能運用到模具與模型制作、航天航空、食品產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)療、建筑工程、教育教學(xué)以及手勢和日常用品的個性化定制等各個領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了一個持久且艱苦的成長道路。與其他應(yīng)用領(lǐng)域相比，新興領(lǐng)域3D打印建筑才剛起步，目前仍停留在打印樣板房的階段，距大規(guī)模量產(chǎn)尚有距離。但其憑借著省人力、成本低、速度快、環(huán)保綠色的優(yōu)勢，未來勢必掀起工程建筑領(lǐng)域的革命，其潛在的發(fā)展前景已獲得業(yè)內(nèi)認(rèn)可。

從2013年開始，3D打印建筑在全球悄然興起，世界各國都掀起了3D打印房屋的熱潮。2013年1月，荷蘭阿姆斯特丹建筑大學(xué)的建筑設(shè)計師Janjaap Ruijssenaars設(shè)計了全球第一座3D打印建筑物“LandscapeHouse”，并且?guī)е�這個項目參加了Europan競賽。

圖2-1 Landscape House

2013年8月，美國加州奧克蘭的設(shè)計工作室完成了世界上第一個3D打印建筑組件，該建筑的長寬均為10英尺(約3米)，高8英尺(約2.44米)。該建筑由585個聯(lián)鎖組件構(gòu)成，共耗時10800個小時進(jìn)行3D打印，最后拼裝花費了4天。所有組件都采用聚乳酸這種生物塑料制成，可以隨著時間分解，制造出無數(shù)個微型棲息地。

圖2-2世界上第一個3D打印建筑組件

2014年，荷蘭阿姆斯特丹在一條運河旁建造一座3D打印房屋，由荷蘭DUS建筑師事務(wù)所設(shè)計，共有13個房間。該建筑的最終形態(tài)將類似傳統(tǒng)的荷蘭運河房屋，因此將其命名為“運河屋”(Canal House)。先由約3.5米高的特大型3D打印機(jī)逐層打印熔塑層，凝固后形成塑料塊，最后由工人搭建完成。目前，“運河屋”已經(jīng)在阿姆斯特丹北部地區(qū)動工，預(yù)計2017年竣工。

圖2-3阿姆斯特丹“運河屋”

2016年，德國Dresden工業(yè)大學(xué)憑借其極具應(yīng)用前景的混凝土3D打印技術(shù)ConPrint3D獲得了2016德國工程機(jī)械展的創(chuàng)新獎。運用該技術(shù)建造一棟普通民居僅需10小時，而傳統(tǒng)施工方法需要6天。
2017年，舊金山Apis Cor房屋建筑初創(chuàng)公司與俄羅斯房屋建筑公司PIK Group合作修建了一座房屋，只用了一天的時間和10134美元的建筑材料。其秘訣就是一臺3D打印機(jī)器人。

圖2-4 Apis Cor建造的3D打印建筑

2017年3月，基礎(chǔ)建設(shè)技術(shù)公司－Cazza宣布將在迪拜建造世界上第一幢3D打印的摩天大樓。而在此前，迪拜在3D打印建筑領(lǐng)域已經(jīng)先后打印了未來博物館、辦公樓等一系列建筑。

2017年5月，烏克蘭的創(chuàng)業(yè)公司PassivDom也開發(fā)出一種3D打印的智能房屋。小屋基于模塊化原則，可以允許許多單元組裝在一起，以建造一個更大的建筑。這款3D打印小屋可以在任何環(huán)境中建造，讓用戶可以隨心所欲地住在大自然中，過上可持續(xù)發(fā)展和零碳排放的生活。

圖2-5 PassivDom建造的3D打印建筑

未完待續(xù)

作者： 邱國鋒
來源：中天施工技術(shù)