圖/東方IC

在以運(yùn)河聞名的荷蘭，橋梁很常見。但有四座橋尤為奇特：它們每座長(zhǎng)約8 米，且都是由一臺(tái)大型3D 打印機(jī)用混凝土“打印”而成的。這樣建成的橋梁屬世界首次，其在2017 年10 月17 日在荷蘭南部小鎮(zhèn)海默特橫空出世。

從桌面到建筑工地，3D 打印作為技術(shù)革命的一部分，實(shí)現(xiàn)了將塑料和其他材料擠出并制成實(shí)心物體的目標(biāo)。2017 年以來(lái)，美國(guó)、歐洲和亞洲的幾家公司已經(jīng)“打印”了公交車站候車亭和會(huì)議廳隔斷，甚至是整個(gè)住宅。

而在未來(lái)，3D 打印應(yīng)用不僅限于建筑界，在醫(yī)療、文物修復(fù)、航天等領(lǐng)域，3D 打印也將大展拳腳。

建筑業(yè)的“多面手”

3D建筑打印機(jī)的工作原理很像家庭辦公室的噴墨打印機(jī)，只不過(guò)它們吐出的不是墨水，而是混凝土。

噴嘴在軌道上來(lái)回運(yùn)行，由計(jì)算機(jī)控制擠壓模式，這樣就可以在需要的地方精確地鋪設(shè)一層1 英寸（1 英寸=2.54 厘米）厚的混凝土（或鋼鐵、或其他材料）。當(dāng)緩慢移動(dòng)的噴嘴到達(dá)其路徑的末端時(shí)，這一層通常已經(jīng)硬化，剛好可以在第一層的頂部再鋪上一層。一層又一層，一面家庭所需的墻就被建造起來(lái)了。通過(guò)精確的沉積圖案，噴嘴還可以為窗戶、門、公用設(shè)施管道和其他設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)留出空間。

《科學(xué)美國(guó)人》報(bào)道稱，3D 打印建筑明顯的優(yōu)點(diǎn)之一是速度快。建造一座46.45 平方米的單層住宅大約只需24 小時(shí)的打印時(shí)間。

ICON 公司是美國(guó)得克薩斯州一家專注于3D 打印建筑的公司，其聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官杰森·巴拉德表示：“3D 打印機(jī)在建筑房子的同時(shí)，會(huì)考慮到其結(jié)構(gòu)、隔熱層、墻板、內(nèi)外表面處理以及管道系統(tǒng)?！倍谝话闱闆r下，“這通常需要來(lái)自五六個(gè)不同行業(yè)的20 多個(gè)人工作好幾天的時(shí)間”。

此外，3D 打印建筑也減少了浪費(fèi)。據(jù)報(bào)道，一個(gè)典型的住宅建筑工地會(huì)產(chǎn)生4 噸左右的垃圾。由于常規(guī)樓板施工中使用的混凝土是均勻應(yīng)用的，無(wú)論是否需要在特定區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)支撐，它都會(huì)被浪費(fèi)大約一半的量。這對(duì)環(huán)境的破壞尤為嚴(yán)重，因?yàn)樗嘧鳛榛炷恋闹饕煞?，其生產(chǎn)過(guò)程中排放的二氧化碳約占我們二氧化碳排放量的7%。相比之下，3D 打印機(jī)可以非常精確地改變結(jié)構(gòu)的厚度，只在真正需要的地方使用混凝土，這一過(guò)程被稱為拓?fù)鋬?yōu)化。

打印出來(lái)的結(jié)構(gòu)具有數(shù)字化是3D 打印的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這意味著在電腦上呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)可以直接轉(zhuǎn)換成打印機(jī)的指令。這就省去了將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成圖紙的需要，進(jìn)而減少不必要的錯(cuò)誤和麻煩，從而節(jié)約成本、減少延誤。

數(shù)字化還有一個(gè)額外的好處，那就是消除了設(shè)計(jì)創(chuàng)意的障礙。建筑師可以更低的成本提供訂制或半訂制設(shè)計(jì)，而無(wú)須費(fèi)心培訓(xùn)他人來(lái)執(zhí)行計(jì)劃。

技術(shù)仍處早期階段

目前，3D 打印建筑的技術(shù)仍處于早期階段，要擴(kuò)大3D 打印建筑的規(guī)模，需要在技術(shù)和監(jiān)管方面做更多的工作。對(duì)于前者，從業(yè)者還沒有找到一種從印刷機(jī)上加固混凝土的有效方法。在傳統(tǒng)建筑中，這是通過(guò)鋪設(shè)鋼筋來(lái)完成的。

荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的結(jié)構(gòu)工程師西奧·薩萊特認(rèn)為，對(duì)于3D 打印建筑最大的愿景是在將來(lái)有新的混凝土配方，或是新的可擠壓材料，無(wú)須鋼筋就足夠堅(jiān)固。例如，環(huán)氧樹脂就是一個(gè)潛在的候選者，它是一種聚合物，目前用于制造建筑中的黏合劑和涂料。

3D 打印房屋質(zhì)量檢查的指導(dǎo)方針和施工程序規(guī)則也需要敲定，西奧·薩萊特警告說(shuō)，如果沒有經(jīng)驗(yàn)、粗心大意的建筑商接觸到打印機(jī)，他們的建筑可能會(huì)有倒塌的危險(xiǎn)。

如今，3D 打印建筑是一件“不起眼的大事”，低調(diào)且低成本。

例如，ICON 打印了一套位于美國(guó)得克薩斯州奧斯汀市的住宅，為家庭設(shè)計(jì)，成本為1 萬(wàn)美元。然后，該公司還計(jì)劃將一臺(tái)打印機(jī)帶到拉丁美洲，在那里建造50 座低成本住宅。

與此同時(shí)，西奧·薩萊特即將開始在阿姆斯特丹建造一座15 米高的橋，同時(shí)還將與人合作，在荷蘭建造數(shù)座住宅。

《科學(xué)美國(guó)人》報(bào)道稱，雖然這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期階段，但商業(yè)級(jí)3D 打印建筑機(jī)可能會(huì)在未來(lái)十年從根本上改變建筑業(yè)。專家認(rèn)為，它們可以將施工時(shí)間縮短一半，降低多達(dá)33%的成本，并提供更環(huán)保、更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，還有更大的訂制空間。

根據(jù)美國(guó)北極星市場(chǎng)研究公司的數(shù)據(jù)，隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)到2026 年，全球3D 打印建筑市場(chǎng)將從2019 年的460 萬(wàn)美元擴(kuò)大到149 億美元。

未來(lái)將有更多可能

除了打印建筑，3D 打印機(jī)還能制造什么？答案是：小到精密的零件、餅干、模具、衣服，大到醫(yī)療器械、工業(yè)裝備甚至汽車、火箭……都可以制造出來(lái)。因此，有人會(huì)說(shuō)，在未來(lái)，一臺(tái)3D 打印機(jī)幾乎可以創(chuàng)造一個(gè)世界。

比如，通過(guò)掃描獲取三維數(shù)據(jù)、通過(guò)電腦編程，將模型導(dǎo)入打印機(jī)，一個(gè)與真肺一模一樣的肺部模型就可以從3D 打印機(jī)里打印出來(lái)。2020 年6 月，貴州省人民醫(yī)院胸外科首次利用3D 打印技術(shù)完成了三維模型下的精準(zhǔn)肺段切除術(shù)。這一模型不僅精準(zhǔn)再現(xiàn)了病人肺部的病灶位置，甚至連每根血管都栩栩如生。醫(yī)療器械、器官模型、可植入人體的仿生組織……3D 打印擅長(zhǎng)塑造各種細(xì)節(jié)的優(yōu)勢(shì)剛好滿足了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Ω黝惸＞叩母邩?biāo)準(zhǔn)需求。

不僅是醫(yī)療，3D 打印的這一特性，也很適合應(yīng)用在文物復(fù)制和修護(hù)上。前段時(shí)間，位于山西大同的云岡石窟被“搬”到了千里之外的浙江杭州。在浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館，全球首個(gè)可移動(dòng)3D 打印石窟——云岡石窟“音樂(lè)窟”原樣再現(xiàn)了原洞窟的風(fēng)采以及千余年來(lái)風(fēng)化留下的細(xì)微痕跡。借助數(shù)字化采集，制造者對(duì)原洞窟進(jìn)行了1 ∶1 復(fù)制，用輕型材料打印出110 塊模型，再像搭積木一樣組裝成現(xiàn)在的復(fù)制石窟。由于是復(fù)制品，參觀者不僅可以身處其中細(xì)細(xì)觀賞，還可以伸手觸摸，可謂過(guò)足了癮。

除了擅長(zhǎng)精巧細(xì)微的“繡花功夫”，3D 打印未來(lái)也將在航空航天領(lǐng)域大展身手。不管是制造快速成型、單件定制的航天設(shè)備零部件，還是復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和大型異構(gòu)件，3D打印都是理想的技術(shù)手段。