3D打印技术在建筑模型制作中的应用研究

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3D虎 2018-04-16 14:46:00 1692
微导读:

随着科技水平的不断发展和进步,一种新型的计算机图形分析和数据化控制制造技术——3D打印技术应运而生,它是近年来发展起来的一种新兴技术,已在机械、制造、医疗等行业有所发展,而在建筑行业的应用更是有着……

  随着科技水平的不断发展和进步,一种新型的计算机图形分析和数据化控制制造技术——3D打印技术应运而生,它是近年来发展起来的一种新兴技术,已在机械、制造、医疗等行业有所发展,而在建筑行业的应用更是有着广泛的作用,为建筑师设计和建造动态、复杂的形式提供了强大的技术手段,对建筑 业设计产生颠覆性影响。本文结合3D打印技术的国内外研究现状及发展趋势、在建筑设计模型应用中的优劣势,以及如何应用等问题展开研究讨论,以其促进3D打印技术在建筑设计模型方面的真正实践和运用。



  3D打印即快速形成技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础的,可以运用多种材料,例如粉末状金属或者塑料或者水泥等可粘合材料,利用通层打印方法来构造物体的技术。


  1986年,美国加州的工程师查克?赫尔研制出第一台3D打印机,3D打印带来许多行业的革命性改变,并影响到建筑业。在以前生产的部件,其精度取决于生产设备是否先进、以及现在生产工艺能够实现。3D打印机将改变这一观点,使企业不在依赖生产设备、工艺的水平,任何精度的零件、形状都可以通过3D打印机来实现。



  一、3D打印技术的简介和应用


  从30年前研究3D打印技术以来,科技水平的不断提高,边缘技术的完善,时代变迁和发展,这项技术也越来越受到关注,那么究竟什么是3D打印技术呢?3D打印技术是将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体,依据由CAD、PRO/E等软件构造的产品三维模型对其进行分层切片,得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓,激光束选择性地喷射,固化一层层液态树脂(或金属粉末)或喷射源选择性地喷涂一层层的粘结剂或热熔材料等,形成各面,逐步叠加成三维实体,它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合。它也被称为增材制造技术。是美国第三次工业技术革命的产物,是一种制造技术。传统的制造技术需要将制造材料放在固定的容器中进行浇筑,然后生产产品。而3D打印则是以数字模型文件为基础运用塑料、金属等粉末状的可粘合材料,经过逐层打印构造而成。



  一般分为三步来进行:其一是要有设计好的模型,在计算机相应的位置输入设计数据。其二是运用计算机对设计的3D数据模型进行扫描和识别,在指令的操作之下,形成许多个单层图像。最后一步是根据第二步中出现的多个单层图像,按照指令将每一层的材料叠加上去,形成立体和现实的物品。运用3D打印技术进行建筑模型设计时不仅可以减少制造的时间,同时也能降低成本,无论其需要涉及的构造是否复杂,3D打印的设计都可以较快的设计出来。由此可见,3D打印技术具有很大的发展潜力。


  3D打印技术的应用范围非常广泛。建筑设计、产品设计、机械制造、模具制造等都有普遍的应用,并且取得了较好的效果。随着3D打印技术的不断发展,它将在更多方面发挥着重要的作用。3D打印技术现在比较重要的应用领域是产品设计和建筑设计,产品设计方面,3D打印技术提供了一种新的产品开发模式。在建筑设计领域的应用,3D打印技术主要是运用在大型建筑的主体设计层面,通过这项技术帮助设计出建筑师最初的想法,完美的还原建筑。通过3D打印技术设计的建筑模型不仅逼真,而且有利于成本的降低,节省人力和物力。


  二、3D打印在建筑设计模型应用中的优劣势


  1、打印复杂结构的模型


  在3D打印技术可以打印食品、玩具、汽车的今天,它还在创造无限的可能。 首先3D打印技术可以加工传统方法难以制造的零件。过去传统的制造方法就是一个毛坯,把不需要的地方切除掉,或者采用模具,把金属和塑料融化灌进去得到这样的零件,这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。而3D打印技术可以打印非常复杂的零件。



  2、3D打印建筑节约时间


  时间就是金钱,效率就是生命,科技的进步正是提高效率的有效方法,3D打印技术进行建筑设计模型的应用时,可以直接将建筑模型进行多种层面的操作,元素自动生成,无需在进行浪费时间的复制工作,这样可以使设计团队的成员直接进行意念上的合作与对接。建筑的精髓在于设计,那么施工如果能做到完美。一栋几十层高的楼,普通施工,大概需要半年至一年才能施工完毕。而当前3D打印机可在24小时内打印10栋200平方米的建筑。


  3、3D打印建筑材料强度高


  3D打印建筑的墙体与传统建筑的墙体具有很大的不同,3D打印的喷口按照螺纹结构依次打印,最后呈“Z” 字形排列,一层一层的叠加,形成墙体,因此墙体结构是中空的。3D打印出的建筑材料强度高、质量轻,比起传统建筑材料要有很大的优势,因其中空的“Z” 字形结构,产生一种三角形的稳定支撑,从而抗震效果也会更好。


  4、3D打印建筑更加环保,绿色


  相比于传统制造业的浪费资源,破坏环境,新兴的3D打印技术可以完全避免这些问题,因为这种技术是直接按照电脑的设计进行打印操作的,3D打印的材料来自于建筑垃圾、工业垃圾等,废物利用,通过一些技术手段进行加工分离,产生了类似与普通打印机的“油墨”,过程中因为没有沙子、石子、水泥等材料的运输,从而不会产生扬尘,污染环境。并且不需要切割,一次成型。


  除了上述的优点之外,3D打印建筑模型也存在着一些不足和需要改进之处,主要有以下几个方面:



  1、3D打印技术不够成熟


  据统计,3D打印机生产的产品中80%依旧是产品原型,仅有20%是最终产品。自3D打印机技术在80年代产生以来,经过数十年的发展,在21世纪初已取得不小的进步,比如材料增多、打印机和原材料价格逐渐下降,但是目前来看,这依旧是一项年轻的技术,在没有变得更加成熟和廉价前,并不会被企业大规模采用。


  2、3D打印技术没有行业标准


  目前3D打印建筑仍处在研究探索阶段,。但是在建筑行业需要一个标准,通过这个标准才能全面的推广起来。例如根据现行的标准,没有钢筋就不能验收,但3D打印建筑可以不需要钢筋,因此行业标准很重要。


  3、3D打印材料选择问题


  3D打印在建筑新材料是一种建筑工艺上的开拓,不过3D打印房屋要想真正普及,恐怕还需斟酌。比如3D打印的“油墨”主要是由建筑废料做材料,高标号水泥和玻璃纤维等构成。而据了解,某些国家禁止建筑大量使用玻璃纤维,因为玻璃纤维对人体的呼吸系统有影响。所以,材料也需要慎重选择。3D打印建筑材料需要有流动性,同时还需要考虑到温度因素,若流动性大,则打印过程中材料无法堆叠,流动性小,则容易堵塞打印头。


  4、3D打印机的精度问题


  3D打印技术类似于挤牙膏,采用的是逐层堆叠。第一层打印完成后,必须等第一层打印材料凝固硬化后再进行上一层打印,通过层与层之间的紧密粘结来保持墙体的整体性。精度越高则厚度越薄,精度不够导致层与层之间不够光滑,表面粗糙,并且条纹样式也很单一。


  三、 发展与展望


  3D打印建筑技术会对环保、建筑业、混凝土等行业带来改变。现行我国的水泥行业还是粗犷性发展,浪费资源污染环境,势必进行改变,走可持续发展道路。3D打印建筑技术不仅可以更有效地利用混凝土材料,以及其他一些废料,精细化生产,而且更能够大幅度提高建筑物结构强度,此举无疑又大大减少了建筑垃圾的产生,不浪费,不污染环境。因此,研究探讨出符合需求的新时期商品混凝土是十分必要的。



  首先,商品混凝土的原材料将会变得更加广泛,材料最核心的要求是上一层打出来以后,下一层不能变形,不能坍塌, 比如胶凝材料可能采用特种水泥、树脂、镁质胶凝材料等,以满足3D打印的需要,并且还有可能会生产出新的完全不同于现在的材料;外加剂也可能会从根本上发生改变,因为不能以现在的混凝土标准来衡量。


  其次,在配合比设计方面,可能还需要有新的理论来支持。因为3D打印所需要的混凝土已经不同于传统的混凝土,混凝土各项性能发生了巨大变化,不是简单的水灰比、砂率等所能决定的了,其硬化、收缩性能发生根本性改变,目前的混凝土强度理论、耐久性能理论、水化作用理论等均不能适应要求。为获得更高的强度,更好的耐久性,更完美的拌合物性能,更快的硬化速度和性能,需要从新的角度去发现理论,新的配合比设计方法,建立新的计算模型,以及硬化理论模型、服役寿命预测模型等。


  可以预见在今后很长一段时间内3D打印仍然将被人们广泛关注。由于看好3D打印技术所表现出来的广阔的应用前景,许多国家纷纷出台本国的3D打印发展规划,布局3D打印产业。3D打印技术在建筑领域的应用研究刚刚开始,还存在许多亟待解决的问题,比如适合3D打印的建筑材料的研究,是仍然使用混凝土还是开发其他种类的建筑材料,如果使用混凝土,混凝土的工作性能、耐久性能则需要进行专门的设计和评估。3D打印建筑还有很长的路要走,但是毋庸置疑的是,3D打印建筑一定会成为未来世界的新标杆。


  作者:王韦

(来源:南极熊) 关键词: 建筑3D打印 3D打印 3D打印技术
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