建筑业中的大规模 3D 打印：技术与趋势

探索大规模 3D 打印对建筑行业的变革性影响。这篇内容全面的文章探讨了机械臂和龙门打印机、关键材料以及打印过程的各个阶段，重点介绍了建筑技术的创新和未来挑战。

大规模三维打印：建筑和基础设施领域的创新

这篇文章涵盖了与建筑中的大规模三维打印有关的几个关键部分。文章首先介绍了该行业的意义和当前趋势。随后，文章详细介绍了大型三维打印机的类型，重点介绍了机械臂和龙门式打印机，以及它们的优势和局限性。然后讨论所用材料 三维打印 在建筑领域，包括各种水泥基材料、用于 WAAM 的金属合金以及新兴的复合印刷材料。

3D 打印技术正在成为惯常缓慢的建筑行业中的一项进步性创新。通过自动化流程和实现新的计划前景，3D 打印技术有望缩短时间、减少浪费，并使建筑业普遍更具生产力和可持续性。本文希望概述大规模 3D 打印程序对建筑应用的变革性影响。文章探讨了目前的进展状况、未来的发展方向和固有的困难。

建筑用大型 3D 打印机的类型

大型 三维打印机 建筑行业使用的打印机主要分为两类：机械臂打印机和龙门打印机。这两类打印机使用添加物质制造技术，将水泥基材料逐层组装成建筑部件。

机械臂三维打印机

机械臂大型三维打印由一个多轴机器人控制器和一个打印头组成。该机械臂通过其 6 级机会提供高能力和灵活性。与传统的三枢纽龙门框架相比，它可以完成更复杂的数学形状。一种常见的类型是在建筑机械上加装移动式混凝土泵作为打印头。混凝土输送系统和打印头安装在机器上，臂架充当机械臂，通过以下方式进行控制 原型制作中的 3D 打印 算法。Apis Cor 等几家公司还利用安装在可移动平台上的机械臂。

这为多单元结构提供了印刷机动性。然而，由于机器人在打印过程中还会移动，因此可能会出现控制和质量问题。为了扩大规模，可以采用多个机器人协作的方式，如 Zhang 等人所演示的那样。每个机器人安装的平台同步执行离散的打印任务。通过协调路径规划软件确保无碰撞运动。面临的一个挑战是，机器人所能触及的可打印区域较小。为了克服这一问题，Keating 等人将机械臂安装在履带式移动底座上，从而实现了自主现场制造。

龙门式三维打印机

龙门式打印机是目前研究最为广泛的大规模建筑三维打印技术。Contour Crafting 是早期的先驱，使用了多个高架龙门。典型的设计包括一个携带打印头的水平移动梁，沿着 X、Y 轴的固定轨道或立柱移动。例如，拉夫堡大学和 Spetsavia 公司的打印机能够打印整栋建筑物。COBOD 的 BOD2 和 WASP 的 Crane WASP 等模块化配置进一步扩大了规模。多个可互换的单元可根据需要进行组装，理论上构建尺寸不受限制。龙门式打印机具有控制更简单、精度更高以及可在混凝土混合物中使用粗骨料等优点。不过，由于移动性有限，因此需要在每个新建筑地点进行现场组装/拆卸。

建筑三维打印材料

对于大规模 3D 打印建筑而言，关键的可打印材料是水泥基材料和 金属合金.此外，将这些技术结合起来的复合印刷技术也越来越受到关注。

水泥基材料

建筑用混凝土 3D 打印常用的材料包括水泥混凝土、土工聚合物、纤维增强混凝土等。水泥混凝土是研究最为广泛的大规模 3D 打印材料。然而，为了达到打印所需的流变特性，传统的骨料往往被沙子等更细的替代品所取代。这虽然降低了收缩开裂的敏感性，但却导致复合材料强度降低。土工聚合物是一种铝硅酸盐粘合剂，可以替代部分水泥。

用于 WAAM 的金属材料

大规模三维打印利用的是线材和弯曲添加物质制造（WAAM）工艺。通常处理的金属包括不锈钢、钛组合和铝。WAAM 已被应用于生产建筑行业的主要部件。

复合 3D 打印材料

研究探索了用纤维、钢缆或微型电缆加固的水泥基材料。一种很有前途的方法是将混凝土 3D 打印材料 在使用机械臂搭建的钢结构周围。然而，热量管理方面的集成挑战依然存在。本节将详细介绍用于建筑三维打印的主要材料，并将其细分为以下几个大纲。

3D 打印过程

任何用于建筑的大规模 3D 打印流程都包括模型开发、材料生产/运输、层沉积和质量控制。

模型创建

利用切向连续性将数字模型切分为非平面层，使不同厚度的层之间过渡更平滑，充分发挥了 3D 打印金属 技术。这种策略可以保持层与层之间的接触面不变。

材料生产和运输

对于现场大规模印刷，混凝土通常是从配料厂运送的预拌混凝土，以避免中断。不过，运输后可能需要进行额外的搅拌，最好是在泵送后进行搅拌，以达到最佳的流变性。可在挤出前加入促进剂。

层沉积

在龙门式打印机中，打印头根据切片模型沿着工具路径沉积材料，形成连续的层。机器人打印机则通过末端执行器沿编程轨迹挤出材料。 3D 打印工具 速度、层厚度和材料流动都会影响几何精度和强度发展。连续反馈可实现实时流变控制。

质量控制

这需要监测新鲜和硬化状态的特性。流变性至关重要，可通过挤压能量量化等方式进行在线评估。传感器可跟踪尺寸、均匀性和固化情况。非破坏性测试可评估机械性能。工艺数据和模拟可完善混合物设计和策略。质量控制可实现设计-制造反馈回路的闭环。

其他考虑因素

对于大型项目，需要对材料运送物流进行广泛的预先规划。组件组装可在整体打印之后进行。混合方法将大规模 3D 打印集成到模板施工中。有必要对环境调节和促进剂剂量进行评估。

机械性能

的机械性能 可持续 3D 打印 由于是分层制造，建筑构件表现出各向异性。此外，印刷过程中产生的几何误差也带来了额外的变量。

强度特性

由于固结压力，沿印刷层纵向的抗压强度最高。横向强度下降，垂直于层的强度最小，因为层的固结硬化程度最小。类似的趋势也会影响挠曲行为。试验表明，垂直于印纹层的强度最小，因为在印纹层中，新拌混凝土在凝固前的沉降最为自由。在没有横向约束或加固的情况下，沉降会削弱层间的连贯性。不同施工方向的强度各向异性超过 10%。加入纤维可减轻这种情况，使应力均匀分布。结构设计必须考虑强度方向性，而不是假设各向同性。

复合材料三维打印

增强型 3D 打印混合物（如微缆混凝土）的性能优于普通水泥浆。微缆可抑制开裂并抑制冲击下的剥落。复合材料利用加固/基质的协同作用，优化结构性能。 富含纤维的浆糊能抵御 与浇铸或挤压的同类产品相比，复合材料可承受更大的荷载，这证明了其卓越的界面结合力。复合材料为要求苛刻的结构应用提供了大规模三维打印技术，而这些应用传统上只能用于传统建筑。

结论

总之，本文对大规模三维打印技术在建筑业中的影响和进展进行了深入评述。文章详细介绍了主要的打印机类型--机械臂和龙门系统，概述了它们不同的操作原理、示例和优势/局限性。综述还分析了建筑三维打印研究中重点关注的可打印材料--用于混凝土打印的水泥基成分以及线弧增材制造中的金属合金。此外，还讨论了复合加固方法。

总之，审查强调了大规模三维打印技术在推动建筑创新方面的影响力，它提供了更高的效率、定制化和场外预制的潜力。然而，要最大限度地实现其全面可行性和效益，还需要集中精力应对几何不可预测性、不均匀性和长期行为表征方面的挑战。随着技术的成熟、 3D打印的使用 作为建筑环境未来演变的催化剂，其能力必将进一步增强。

常见问题

问：大型建筑中使用的 3D 打印机主要有哪些类型？

答：文章研究指出，大型三维打印主要可分为机械臂打印机和龙门打印机。机械臂打印机利用带有打印头的多集线器机器人控制器，而龙门式打印机则是将打印头安装在平面移动杆上。

问：哪些材料可用于 3D 打印建筑应用？

答：研究的主要可打印材料是用于大幅打印的水泥基材料，以及通过线弯添加物质制造（WAAM）方法处理的金属复合材料。此外，结合这些材料的复合加固方法也在不断涌现。

问：用于建筑的大规模 3D 打印工艺通常会取得哪些进展？

答：概述的主要阶段包括计算机化模型创建、材料创建/运输、层报表以及新属性和固化属性的质量控制。

问：3D 打印为建筑业带来了哪些好处？

答：与传统技术相比，其优势包括机械化、计划机会、缩短时间、减少浪费、进一步提高可持续发展能力以及潜在的费用下降。

问：大规模建筑三维打印究竟存在哪些困难？

答：所研究的限制因素涉及比例限制、粗略的总利用率、归一化需求、各向异性特性以及长距离传导的特征。

问：这种建筑创新的前景如何？

答：随着技术的成熟和挑战的应对，它在通过提高效率、定制和异地制造来推动创新方面的作用会越来越大。