3D打印混凝土技术的初探

石从黎，林宗浩，陈敬，向川

（1重庆建工建材物流有限公司，重庆401120；2重庆市建筑材料与制品工程技术研究中心，重庆401120）

3D打印混凝土技术的初探

石从黎1，2，林宗浩1，2，陈敬1，2，向川1，2

（1重庆建工建材物流有限公司，重庆401120；2重庆市建筑材料与制品工程技术研究中心，重庆401120）

随着3D打印技术的快速发展，将3D打印技术应用于建筑业是每一个建筑人的梦想。该文从混凝土3D打印机、3D打印混凝土材料两大主要部分出发对3D打印混凝土技术进行了探索性研究。自行设计并制作了一台混凝土3D打印机，开发出了适用于3D打印的混凝土材料，并打印出了混凝土实体。

3D打印建筑；3D打印机；3D打印混凝土；3D打印实例

0 前言

当前人类正掀起第三次工业革命的热潮，信息化和数字化是未来工业发展的必然趋势。英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》中，将3D打印技术作为第三次工业革命的重要技术标志之一，引发了世人的重视。随着3D打印技术的知名度在全球范围内逐渐提高，在各行各业的应用也逐渐开发出来。如今，3D打印广泛涉猎各大行业，在航空航天，工业，生物医疗以及建筑等产业都取得了飞速的发展[1]。

在建筑行业，3D打印技术同样顺应了产业革命的发展。3D打印建筑是利用计算机发出指令控制工业机器人逐层重复铺设材料构建出自由形式的建筑结构的新兴技术，将使大规模的个性化生产成为可能，逐步实现快速建造和产业化生产，并会创造出大量的传统工艺不易甚至无法生产的新建筑结构[2]。同时，3D打印建筑技术极大程度上实现了节约、绿色、低劳动强度、文明施工[3]，是传统建筑技术、传统建筑模式无法比拟的。

混凝土作为建筑上用量最大、范围最广的建筑用材料，3D打印建筑技术主要就是3D打印混凝土技术，是在3D打印技术的基础上发展起来的混凝土施工新技术。目前的3D打印机主要是小型的桌面打印机，并不适用于混凝土3D打印，因此本文主要从打印机设备的设计制作和打印材料的开发进行了研究，并展示了一些3D打印混凝土技术的打印实例。

1 混凝土3D打印技术方案的提出

当前应用于混凝土3D打印技术主要是源自于南加州大学霍什奈维斯的轮廓工艺（Contour Crafting）[4]理论。而对于大型建筑实体的打印，廓工艺也是目前最为科学、有效的技术路线，它受打印实体尺寸限制小并适应混凝土材料特点。本文以轮廓工艺作为理论依据，自制了一台混凝土3D打印机辅以特殊混凝土为打印材料，通过计算机自动化控制打印机进行施工来构建整个建筑物[5]。其主要过程是先将建筑物进行分解为若干层，再利用打印机通过逐层打印累积最终形成一个具有自由形式的建筑结构成品。其构成和传统打印机基本一样，都是由控制系统、机械系统、打印喷头、建筑打印“油墨”组成的。根据电脑上设计的完整的三维模型数据，通过一个运行程序将材料分层输出并逐层叠加，最终得到建筑实物。相比于传统的建造方式，轮廓工艺可以节省相当多的时间和成本，其建造的成本主要取决于机器所消耗的时间和能源，总的工程量也可以在施工前就通过建筑物图纸转化为打印路径来计算，计算结果误差十分微小，如图1。

图1 轮廓工艺示意图

2 混凝土3D打印机的设计与制作

混凝土的3D打印机主要由两部分组成，第一部分为连续输出混凝土材料的系统即输料系统，第二部分为打印机的主体结构即带动输料系统根据计算机发出的指令运动的运动系统。整个打印机的工作流程示意图如图2所示。

图2 混凝土3D打印机工作示意图

目前打印机常用运动系统的结构主要有两种，一种是直角坐标系结构，另一种为球坐标系结构。直角坐标系结构的搭建较球坐标系结构更容易、更稳定，对场地的使用率更高，并且此结构的打印实体尺寸更大，所以本文选用直角坐标系的运动体系结构，自制了一台运动系统为直角坐标系的龙门式3D打印机，其外观尺寸为3mx5mx2m。

图3 龙门式打印机运动结构简易图

混凝土3D打印机所含的另一重要部分为输料系统，输料系统的好坏直接决定了打印机打印物体的质量好坏。其中输料系统的一个严格性要求是要保证材料能够顺利地、连续不间断地、均匀地输出。本文根据所用的打印材料为水泥基材料的特点，选用电动螺杆型输料系统，如图4。通过控制螺杆的转动速度来控制材料的传送速度、传送量以保证材料的输出能够与打印机的运动系统的运动速度相匹配，使得打印过程始终保持均匀性、连续性。

图4 电动螺杆型输料装置简易图

3 混凝土打印“油墨”的开发

3D打印技术能够在很大程度上刺激材料科学的进步，反过来，材料的不断扩展也为3D打印技术的发展提供基础。在某种意义上说，3D打印技术发展的核心不在于打印，而是在于材料。只有新材料技术发展了，3D打印技术才能实现实用化，打印出真正实用的建筑实体，否则离现实还很遥远。混凝土材料不同于其他目前常用的3D打印材料，比如金属、塑料、尼龙、ABS等，普通混凝土材料在空气中硬化速度较慢，不利于打印过程中的逐层累积。用于3D打印的混凝土材料需具备以下特点：（1）良好的连续性、柔韧性；（2）能够在常温下由液态变温固态，自动凝聚成型；（3）早期强度发展快；（4）凝结硬化时间短且合适；（5）具有一定屈服应力可堆积性。

本文主要从三个方面出发开发出可用于3D打印的混凝土材料。首先，采用普通水泥和快硬性水泥复配使用，其中快硬水泥能够在较短时间内形成硬化结构进而起到支撑其他未凝结硬化的结构，以解决普通水泥凝结硬化时间长不利于累积的问题；其次，本材料中加入聚丙烯纤维、增稠剂以及自制的柔性调节剂，以提高材料的触变性、柔顺连续性；最后，采用轻质集料减轻混凝土材料自身的重量，从而可以增加打印的高度。综合考虑上述三方面，本文选用以下原材料，见表1并通过适配调整，得到3D打印混凝土材料配比见表2。

表1 混凝土材料原材料情况

表2 3D 打印混凝土材料质量配比

本材料的基本性能为：终凝时间为45min，浆体扩展度为160mm，浆体稠度为45mm，28天抗压强度为45MPa。

4 3D打印混凝土技术应用实例的展示

利用自行研发的打印机设备和特殊混凝土材料已打印出的一些建筑实体，如图5-图7所示。

图5 混凝土3D打印机及打印过程

图6 3D打印椅子、小型花坛

图7 3D打印公司logo及路标指示牌

5 3D打印混凝土技术前景的探讨

5.1 存在问题

3D打印混凝土技术不仅是一种全新的混凝土施工方式，更是一种可以颠覆传统的建筑模式。它更加高效、节能、环保，在打印过程中可以不使用模板不仅解放人力，还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打印混凝土技术也面临着不少的问题：（1）在建筑设计方面和建筑标准方面需要进行系统性的变革，创造新型的结构体系，需要兼顾3D技术的打印工艺、材料特性和现有的工业化水平；（2）在建筑机械设备方面，3D打印建筑需要高精度和自动化，把数字化控制与建筑机械有机地结合起来，这对我国建筑机械制造工业是一个很大的挑战；（3）在建筑材料方面，3D打印过程的速度较快，对材料性能及凝固时间有非常严格的要求，传统的建筑材料的性能难以满足3D打印建造的需求，需要研究开发新材料。解决、完善上述问题建立一个全新的3D打印建筑技术体系从根本上促进3D打印建筑技术的发展之路。

5.2 发展方向

近年来，随着3D打印技术的快速发展，越来越多的人开始了其在建筑领域中的研发。但到目前为止，所有与建造房屋相关的3D打印技术都还处于试验阶段，而要将其进行大规模的生产还有很多问题亟待人们去解决。由于现在的房屋建筑大多数是超大尺寸的想一次性进行整栋房屋的混凝土打印具有相当大的困难，也许将3D打印混凝土技术与住宅产业化相结合起来，减少模板的使用，工人的操作，通过集中在工厂精确地打印出各色各样的混凝土预制构件运至现场进行拼装成完整的房屋会是未来的重点发展方向。

6 结语

尽管在现阶段还存在这样或那样的问题，但从中长期来看，将3D打印技术应用于建筑业上仍具有非常广阔的发展前景。随着自动化建造技术的进一步成熟，新的信息技术、控制技术和材料技术等不断的完善，3D打印在施工的速度、效率、精度和提高建筑力学和物理性能等方面将会取得飞速的发展。我们相信，3D打印建筑时代的到来一定会给我们的世界带来更多意想不到的惊喜，说不定在不久的将来，人们就可以住上3D打印技术建造的房屋了。

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

[2]李涤尘，贺健康，田小永，等.增材制造：实现宏微结构一体化制造[J].机械工程学报，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，石从黎，陈敬.3D打印技术在建筑领域的研究进展[J].商品混凝土，2016（11）：19-23.

责任编辑：孙苏,李红

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

基金论文：该论文为重庆建工集团技术创新项目“3D打印建筑技术研究与工程应用”论文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.03.024

2016-11-23

石从黎（1981-），男，四川德阳人，研究生，高级工程师，从事混凝土产品及其技术的研究开发。