石從黎，林宗浩，陳敬，向川

（1重慶建工建材物流有限公司，重慶401120；2重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心，重慶401120）

3D打印混凝土技術(shù)的初探

石從黎1，2，林宗浩1，2，陳敬1，2，向川1，2

（1重慶建工建材物流有限公司，重慶401120；2重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心，重慶401120）

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)是每一個(gè)建筑人的夢想。該文從混凝土3D打印機(jī)、3D打印混凝土材料兩大主要部分出發(fā)對3D打印混凝土技術(shù)進(jìn)行了探索性研究。自行設(shè)計(jì)并制作了一臺混凝土3D打印機(jī)，開發(fā)出了適用于3D打印的混凝土材料，并打印出了混凝土實(shí)體。

3D打印建筑；3D打印機(jī)；3D打印混凝土；3D打印實(shí)例

0 前言

當(dāng)前人類正掀起第三次工業(yè)革命的熱潮，信息化和數(shù)字化是未來工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》中，將3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要技術(shù)標(biāo)志之一，引發(fā)了世人的重視。隨著3D打印技術(shù)的知名度在全球范圍內(nèi)逐漸提高，在各行各業(yè)的應(yīng)用也逐漸開發(fā)出來。如今，3D打印廣泛涉獵各大行業(yè)，在航空航天，工業(yè)，生物醫(yī)療以及建筑等產(chǎn)業(yè)都取得了飛速的發(fā)展[1]。

在建筑行業(yè)，3D打印技術(shù)同樣順應(yīng)了產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展。3D打印建筑是利用計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制工業(yè)機(jī)器人逐層重復(fù)鋪設(shè)材料構(gòu)建出自由形式的建筑結(jié)構(gòu)的新興技術(shù)，將使大規(guī)模的個(gè)性化生產(chǎn)成為可能，逐步實(shí)現(xiàn)快速建造和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并會(huì)創(chuàng)造出大量的傳統(tǒng)工藝不易甚至無法生產(chǎn)的新建筑結(jié)構(gòu)[2]。同時(shí)，3D打印建筑技術(shù)極大程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)約、綠色、低勞動(dòng)強(qiáng)度、文明施工[3]，是傳統(tǒng)建筑技術(shù)、傳統(tǒng)建筑模式無法比擬的。

混凝土作為建筑上用量最大、范圍最廣的建筑用材料，3D打印建筑技術(shù)主要就是3D打印混凝土技術(shù)，是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的混凝土施工新技術(shù)。目前的3D打印機(jī)主要是小型的桌面打印機(jī)，并不適用于混凝土3D打印，因此本文主要從打印機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)制作和打印材料的開發(fā)進(jìn)行了研究，并展示了一些3D打印混凝土技術(shù)的打印實(shí)例。

1 混凝土3D打印技術(shù)方案的提出

當(dāng)前應(yīng)用于混凝土3D打印技術(shù)主要是源自于南加州大學(xué)霍什奈維斯的輪廓工藝（Contour Crafting）[4]理論。而對于大型建筑實(shí)體的打印，廓工藝也是目前最為科學(xué)、有效的技術(shù)路線，它受打印實(shí)體尺寸限制小并適應(yīng)混凝土材料特點(diǎn)。本文以輪廓工藝作為理論依據(jù)，自制了一臺混凝土3D打印機(jī)輔以特殊混凝土為打印材料，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制打印機(jī)進(jìn)行施工來構(gòu)建整個(gè)建筑物[5]。其主要過程是先將建筑物進(jìn)行分解為若干層，再利用打印機(jī)通過逐層打印累積最終形成一個(gè)具有自由形式的建筑結(jié)構(gòu)成品。其構(gòu)成和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、打印噴頭、建筑打印“油墨”組成的。根據(jù)電腦上設(shè)計(jì)的完整的三維模型數(shù)據(jù)，通過一個(gè)運(yùn)行程序?qū)⒉牧戏謱虞敵霾⒅饘盈B加，最終得到建筑實(shí)物。相比于傳統(tǒng)的建造方式，輪廓工藝可以節(jié)省相當(dāng)多的時(shí)間和成本，其建造的成本主要取決于機(jī)器所消耗的時(shí)間和能源，總的工程量也可以在施工前就通過建筑物圖紙轉(zhuǎn)化為打印路徑來計(jì)算，計(jì)算結(jié)果誤差十分微小，如圖1。

圖1 輪廓工藝示意圖

2 混凝土3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制作

混凝土的3D打印機(jī)主要由兩部分組成，第一部分為連續(xù)輸出混凝土材料的系統(tǒng)即輸料系統(tǒng)，第二部分為打印機(jī)的主體結(jié)構(gòu)即帶動(dòng)輸料系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。整個(gè)打印機(jī)的工作流程示意圖如圖2所示。

圖2 混凝土3D打印機(jī)工作示意圖

目前打印機(jī)常用運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是直角坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)，另一種為球坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。直角坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)的搭建較球坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)更容易、更穩(wěn)定，對場地的使用率更高，并且此結(jié)構(gòu)的打印實(shí)體尺寸更大，所以本文選用直角坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)，自制了一臺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為直角坐標(biāo)系的龍門式3D打印機(jī)，其外觀尺寸為3mx5mx2m。

圖3 龍門式打印機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡易圖

混凝土3D打印機(jī)所含的另一重要部分為輸料系統(tǒng)，輸料系統(tǒng)的好壞直接決定了打印機(jī)打印物體的質(zhì)量好壞。其中輸料系統(tǒng)的一個(gè)嚴(yán)格性要求是要保證材料能夠順利地、連續(xù)不間斷地、均勻地輸出。本文根據(jù)所用的打印材料為水泥基材料的特點(diǎn)，選用電動(dòng)螺桿型輸料系統(tǒng)，如圖4。通過控制螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來控制材料的傳送速度、傳送量以保證材料的輸出能夠與打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度相匹配，使得打印過程始終保持均勻性、連續(xù)性。

圖4 電動(dòng)螺桿型輸料裝置簡易圖

3 混凝土打印“油墨”的開發(fā)

3D打印技術(shù)能夠在很大程度上刺激材料科學(xué)的進(jìn)步，反過來，材料的不斷擴(kuò)展也為3D打印技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)。在某種意義上說，3D打印技術(shù)發(fā)展的核心不在于打印，而是在于材料。只有新材料技術(shù)發(fā)展了，3D打印技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，打印出真正實(shí)用的建筑實(shí)體，否則離現(xiàn)實(shí)還很遙遠(yuǎn)?；炷敛牧喜煌谄渌壳俺Ｓ玫?D打印材料，比如金屬、塑料、尼龍、ABS等，普通混凝土材料在空氣中硬化速度較慢，不利于打印過程中的逐層累積。用于3D打印的混凝土材料需具備以下特點(diǎn)：（1）良好的連續(xù)性、柔韌性；（2）能夠在常溫下由液態(tài)變溫固態(tài)，自動(dòng)凝聚成型；（3）早期強(qiáng)度發(fā)展快；（4）凝結(jié)硬化時(shí)間短且合適；（5）具有一定屈服應(yīng)力可堆積性。

本文主要從三個(gè)方面出發(fā)開發(fā)出可用于3D打印的混凝土材料。首先，采用普通水泥和快硬性水泥復(fù)配使用，其中快硬水泥能夠在較短時(shí)間內(nèi)形成硬化結(jié)構(gòu)進(jìn)而起到支撐其他未凝結(jié)硬化的結(jié)構(gòu)，以解決普通水泥凝結(jié)硬化時(shí)間長不利于累積的問題；其次，本材料中加入聚丙烯纖維、增稠劑以及自制的柔性調(diào)節(jié)劑，以提高材料的觸變性、柔順連續(xù)性；最后，采用輕質(zhì)集料減輕混凝土材料自身的重量，從而可以增加打印的高度。綜合考慮上述三方面，本文選用以下原材料，見表1并通過適配調(diào)整，得到3D打印混凝土材料配比見表2。

表1 混凝土材料原材料情況

表2 3D 打印混凝土材料質(zhì)量配比

本材料的基本性能為：終凝時(shí)間為45min，漿體擴(kuò)展度為160mm，漿體稠度為45mm，28天抗壓強(qiáng)度為45MPa。

4 3D打印混凝土技術(shù)應(yīng)用實(shí)例的展示

利用自行研發(fā)的打印機(jī)設(shè)備和特殊混凝土材料已打印出的一些建筑實(shí)體，如圖5-圖7所示。

圖5 混凝土3D打印機(jī)及打印過程

圖6 3D打印椅子、小型花壇

圖7 3D打印公司logo及路標(biāo)指示牌

5 3D打印混凝土技術(shù)前景的探討

5.1 存在問題

3D打印混凝土技術(shù)不僅是一種全新的混凝土施工方式，更是一種可以顛覆傳統(tǒng)的建筑模式。它更加高效、節(jié)能、環(huán)保，在打印過程中可以不使用模板不僅解放人力，還能大大降低建造成本，造出普通百姓都能住得起的房子。目前3D打印混凝土技術(shù)也面臨著不少的問題：（1）在建筑設(shè)計(jì)方面和建筑標(biāo)準(zhǔn)方面需要進(jìn)行系統(tǒng)性的變革，創(chuàng)造新型的結(jié)構(gòu)體系，需要兼顧3D技術(shù)的打印工藝、材料特性和現(xiàn)有的工業(yè)化水平；（2）在建筑機(jī)械設(shè)備方面，3D打印建筑需要高精度和自動(dòng)化，把數(shù)字化控制與建筑機(jī)械有機(jī)地結(jié)合起來，這對我國建筑機(jī)械制造工業(yè)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)；（3）在建筑材料方面，3D打印過程的速度較快，對材料性能及凝固時(shí)間有非常嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的建筑材料的性能難以滿足3D打印建造的需求，需要研究開發(fā)新材料。解決、完善上述問題建立一個(gè)全新的3D打印建筑技術(shù)體系從根本上促進(jìn)3D打印建筑技術(shù)的發(fā)展之路。

5.2 發(fā)展方向

近年來，隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的人開始了其在建筑領(lǐng)域中的研發(fā)。但到目前為止，所有與建造房屋相關(guān)的3D打印技術(shù)都還處于試驗(yàn)階段，而要將其進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)還有很多問題亟待人們?nèi)ソ鉀Q。由于現(xiàn)在的房屋建筑大多數(shù)是超大尺寸的想一次性進(jìn)行整棟房屋的混凝土打印具有相當(dāng)大的困難，也許將3D打印混凝土技術(shù)與住宅產(chǎn)業(yè)化相結(jié)合起來，減少模板的使用，工人的操作，通過集中在工廠精確地打印出各色各樣的混凝土預(yù)制構(gòu)件運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝成完整的房屋會(huì)是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

6 結(jié)語

盡管在現(xiàn)階段還存在這樣或那樣的問題，但從中長期來看，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)上仍具有非常廣闊的發(fā)展前景。隨著自動(dòng)化建造技術(shù)的進(jìn)一步成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)和材料技術(shù)等不斷的完善，3D打印在施工的速度、效率、精度和提高建筑力學(xué)和物理性能等方面將會(huì)取得飛速的發(fā)展。我們相信，3D打印建筑時(shí)代的到來一定會(huì)給我們的世界帶來更多意想不到的驚喜，說不定在不久的將來，人們就可以住上3D打印技術(shù)建造的房屋了。

[1]Yue Hong.From theory to practical of 3D printing building[J].Frontiers of Science，2014（6）：58-62.

[2]李滌塵，賀健康，田小永，等.增材制造：實(shí)現(xiàn)宏微結(jié)構(gòu)一體化制造[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013（6）：129-135.

[3]18.M.Castilho，etal.Structural evaluation of scaffolds prototypes produced by three-dimensional printing[J].Int.J. Adv.Manuf.Technol.2011，56（5-8）：561-569.

[4]B.Khoshnevis，D.Hwang，K.Yao，Z.Yeh.Mega-scalefabrication by contour crafting[J].International journal of Industrial and Sysem Engineering，2006（3）：301-320.

[5]林宗浩，石從黎，陳敬.3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].商品混凝土，2016（11）：19-23.

責(zé)任編輯：孫蘇,李紅

Preliminary Study on 3D Printing Technology for Concrete

With the fast development of 3D printing technology,it is a dream of every architect to apply it in construction industry.Largely based on the two parts of 3D printer for concrete and 3D printing for concrete materials,this paper studies the 3D printing technology exploratorily.A 3D printer for concrete is independently established and the concrete materials suitable for 3D printing is developed,with concrete entities printed.

3D printing for architectures;3D printer;3D printing for concrete;3D printing practice

TU528

A

1671-9107（2017）03-0024-04

基金論文：該論文為重慶建工集團(tuán)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目“3D打印建筑技術(shù)研究與工程應(yīng)用”論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.03.024

2016-11-23

石從黎（1981-），男，四川德陽人，研究生，高級工程師，從事混凝土產(chǎn)品及其技術(shù)的研究開發(fā)。