3D打印建筑和建筑构件作为未来可持续建筑物的研究外文翻译资料

 2022-11-05 11:46:16

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3D打印建筑和建筑构件作为未来可持续建筑物的研究

摘要：本文介绍了最先进的关于在建筑物和建筑部件的3D打印领域的当前成就。3D打印技术相对于传统的建筑技术，可以被认为是环境友好的衍生物，给几何复杂性实现几乎无限的可能性。本文描述了两种技术，并指出轮廓工艺作为一种很有前途的技术，可能掀起近期建筑业的革命。这项技术的许多优点，如降低成本和时间，尽量减少对环境的污染和减少建筑工地的人员伤亡和恶性事故都是可表扬的。尽管有许多优点和希望，但在结论中总结了一些关注的内容，因为该技术仍然有许多局限性。浅谈建筑施工中使用的首创的3D打印的几个例子（在阿姆斯特丹的“Canal House ”，盈创公司和实施打印应用建筑的Skanska公司）。在许多不同的建模程序中，创建适合3D打印机的模型是可能的。用于共享这种模型的最流行的格式之一是STL格式。在本文中，展示出了在Autodesk Inventor中创建的示例模型，但是也简要讨论了适于准备用于3D打印的模型的其他工具。

  1. 引言

第一台3D打印机是1984年发明的，并且在过去几十年中3D打印已经成为增长最快的技术之一。在开始研究的阶段，它是十分复杂并且也是非常昂贵的技术。这些年来，3D打印开始出现在日常生活中，并且打印机变得常用于各种工业领域。在医药，汽车或航空航天工业取得了很多成就。由于开放源代码系统，新产品的成型设计和3D打印在各个领域的创新应用程序可使每个人都能获得。

在世界各地的工业领域，改进印刷材料和3D技术成为许多公司的目标。在2014年，建筑行业的真正革命开始了，随着第一所房子的打印成功，开启了建筑技术的新篇章。

本文中提出的问题是：3D打印技术是否足够实际地走出实验室环境，并被建筑行业所接受？3D打印可以取代传统的建筑技术到哪种地步？首先应用此技术的适用领域是什么？

2.3.D打印技术和材料

3D打印的理念已经在1983年诞生，当时Charles W. Hull想出了用紫外线硬化桌面涂层的想法[1]。这个简单的想法导致他发明了立体光刻，3D打印的原始技术。立体光刻是第一种快速成型技术，这意味着通过计算机支持的元件可快速，精确和可重复地生产。建立该技术的第一步是寻找合成树脂的添加剂，该添加剂的作用是使树脂在光照下能够发生聚合反应。立体光刻（SLA）是一种能够构建高精度和极其复杂几何形体的物体的技术，这就是为什么它能被用于许多领域，例如医学，汽车和航天航空工业，甚至是艺术和设计的原因。用于3D打印的类似技术是选择性激光烧结（SLS），其中激光用于将粉末颗粒熔化在一起以创造物体。在SLS技术中使用的材料通常具有高强度和可塑性，最流行的是尼龙或聚苯乙烯。熔融沉积成型（FDM）是由S.Scott Crump于1988年发明的一种技术[2]。在冷却过程中，通过双头喷嘴挤出的韧性材料自身硬化。同时，沉积建模，支撑材料根据从支持打印机的数字模型产生的横截面层上放置。喷嘴包含电阻加热器，其将丝状材料保持在适当的熔点，让材料能顺利地流过喷嘴形成面层。像其他技术一样，创建一个图层后，平台降低，创建下一个图层。这个过程被重复，直到整个物体完成。通常在FDM技术中使用的材料被称为细丝，并且在打印机中用作诸如ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）或PLA（聚乳酸）的热塑性材料的卷筒，因为这是两种完全不同种类的热塑性塑料。这种材料是由玉米淀粉或甘蔗制成，是可生物降解的，因此被认为比ABS更环保和更可持续。在过去二十年中，熔融沉积成型已经成为世界上最受欢迎和广泛使用的3D打印方法。在过去的几十年中，开发了各种领域的材料，提供了许多的性能，并允许增加应用范围，并给予了木材（PLA和木纤维的复合材料）、金属（PLA和铜的复合材料）、砂岩（PLA和粉状白垩的复合材料）的打印方向[3]。

3.3.D打印在建筑工业的应用案例

3.1.阿姆斯特丹的“Canel House”

在2014年，荷兰设计公司Dus Architects决定通过一个巨大的打印机打印一幢房子的部件来建造房子。在欧洲，这将是第一个完全由3D打印技术实现的项目。项目称为3D打印“Canal House”，它坐落在阿姆斯特丹，将需要至少三年时间建成。 Dus Architects的建筑师想证明，通过直接在现场打印房子的组件，他们将能够完全消除建筑物浪费，并最大限度地降低运输成本。打印机的可移动性被认为是主要优点，因为它可能在全世界运输，正因为如此，材料的运输成本及其在建筑工地上的存储可能将消失。估计项目的时间，以便他们研究打印技术并开发适当的材料。建筑工地对公众开放，即使项目完成后仍将保持开放，因为该项目的主要目的是发现和分享建筑业3D打印的潜在用途。

房子的组成部分由称为KamerMaker的巨型3D打印机打印。打印技术与大多数打印机非常相似。工程在计算机上开始，每个组件在各自相应的3D程序模型中创建并转换为期望的格式。热塑性材料（在该特定情况下是可生物降解的塑料）由打印机加热，直到其达到适当的液体状态，因此其可以通过打印机的喷嘴挤出。打印一个面层后，另一个面层构建在上一个面层上。在该过程的这个阶段中，开发的最具挑战性的东西是在打印机制造之后同时具有足够柔性以产生适配层，即一种粘合剂的材料，使得随后的层将与前一层接合并且足够坚硬，让该组件保持其形状。

3.2.上海盈创公司的建筑

上海盈创装饰设计工程有限公司是一家中国企业，致力于研发适用于3D打印技术的类似混凝土的材料。在2014年，他们已经完成了用3D打印技术建造的房子。 该技术基于打印作为预制元件的部分并现场组装的建筑部件。组件由打印机打印，高6米，宽10米，长40米。打印机通过喷嘴逐层挤出材料（砂浆）。墙体内部具有对角增强的图案，具有用作绝缘层的中空结构。组件在工厂中进行打印，并且在打印之后，它们被运输到建筑工地并组装在一起以形成整体结构。窗和门安装在建筑物墙壁中（图1b）。在屋顶安装后，完成了整修工作，最后建筑完成。每栋建筑的估计成本为4.800美元。

之后中国开发商也使用与之前打印的房子相同的技术打印了五层楼（图1b）这个建筑仍然是世界上3D打印的最高的建筑[5]。

3.3.现场的轮廓工艺

在建筑业中使用的最有前景的3D打印技术称为轮廓工艺（CC）技术。 在该技术中，材料逐层逐层浇注，然而整个过程在现场进行。 这种技术通过使用3D打印机能够在现场直接打印整个房子，从而为施工过程实现自动化提供了巨大的条件。Khoshnevis[6]提出这项技术的主要优点是，主要由机器执行的过程将更安全，并且适当材料的使用和打印机的良好性能将减少其成本和时间。 3D打印还将允许创建无限建筑灵活性和最高精度的大型组件。发明者的想法是发明一种打印机，其将具有一个或几个喷嘴，可以在安装在建筑工地的两个平行车道上移动，所述喷嘴为了跟建筑物分开，宽度比建筑物的宽度要宽几米。 该过程的下一步骤与之前的技术相同，材料通过喷嘴挤出并铺设成一个空的体块，在其内部具有交叉的图案以确保达到期望的刚度和强度。

轮廓技术实现的现有例子有Andy Rudenko的花园，在那里他使用来自RepRap 3D打印开源项目的技术和软件设法建造了一座城堡（图2a和b）。打印机中使用的材料是水泥和沙子的混合物。 整个建筑除了塔以外都是同一条运作线路，分开打印最后组装到建筑物[7]。

3.4.3D打印中建筑组件的材料问题

在Canal House中使用的熔融沉积成型的技术需要材料开发。为这项技术寻找合适的材料仍然是建筑3D打印技术项目中最大的挑战。在荷兰项目中，使用由Henkel开发的热塑性生物基材料。然而，Henkel目前正在使用一种新开发的生态混凝土进行一些测试，可用于“Canal House”项目的后期阶段，以提高打印出的组件的抗压强度。对于项目的这个阶段，易于连接在一起、内部具有蜂窝形状间隙的建筑部件，被设计成填充特殊的轻质混凝土，由于这种材料具有加气的结构，确保建筑物的绝缘。每个部分由许多对角空心柱构成，用来支持整个结构。一个房子将有13个房间在现场打印，并组装成一个房子。这种建筑物的另一个优点是，如果房屋需要迁移，所有部分也可以被分开[4]。

在中国盈创公司的项目中，立体光刻打印使用工业废料、玻璃纤维、水泥和硬化剂的混合物。开发的材料允许逐层打印建筑组件，就像在普通的3D技术上实施的那样。期望的混合物需要具有最大可加工性以及最大流动性，以便容易分层放置。这些面层必须确保与随后的面层同时结合。由于需要达到一定的抗压强度，应当使水含量最小化，同时保持适当的流动性[8]。适当的3D水泥混合物的最佳描述词是具有触变性的。 液态材料应在适当的时间内并且在铺设下一层之前硬化。 工程师正在努力找到快凝混凝土的最佳配方，这种混凝土将能够被恰当地控制，能够从打印机的喷嘴中泵出，并且与钢筋混凝土一样坚固。

用于建筑组件的3D打印的可能的液体材料可以是硫酸盐混凝土，其是由硫和聚合物（通常是由砾石或碎石和细骨料（例如砂）制成的粗骨料）制成的复合材料。 将混合物加热至高于硫的熔点，大概140℃前后[9]。冷却后，混凝土没有像普通混凝土一样延长固化时间就能达到目标强度。 硫酸盐混凝土被认为是月球基地居所的潜在建筑材料[10]。

4.用于3D打印的计算机模型的准备

到目前为止，我们已经讨论了与制造过程的物理部分相关的问题。 这些当然是应用3D打印技术的关键问题。 然而，一个重要的要素也就是要制造的部件的计算机模型的准备。 幸运的是，按照3D计算机制图在软件和硬件方面的水平可以毫无困难地构建这样的数字模型。 它可以使用许多商业和开源软件包。

4.1.3D打印工作流程

3D打印的典型工作流程如图3所示。 首先，在3D建模应用中准备模型。 然后将其以常见的3D数据交换格式导出到文件。 对于3D打印行业，最流行的格式是下面讨论的STL（Stereolithography）。 接下来，对于大多数3D打印技术，处理收集的数据以将模型分解成切片。 这导致一组2D轮廓线被进一步处理以产生用于定位打印头或激光束的控制命令。

4.2.STL数据格式

通过STL格式传递模型数据需要构造所有边界表面的三角测量，如图4所示。 如果使用B-Rep（边界）表达构建实体模型，这是最容易完成的，因为对于该表达，实体边界被明确地存储在模型内。 将这种表达导出为STL格式的关键要素是曲面的三角测量。 对于CSG（计算实体几何）模型，为了将它们保存为STL格式，需要额外的处理步骤来恢复模型边界。

虽然STL是用于3D打印的流行的输入格式，但应当强调的是，以这种格式保存模型不是强制的，并且用于控制打印过程的命令可以从其原始表达的模型中直接生成。这只是3D打印机的几何内核中的几何计算的问题。用于3D打印的几何模型的当前处理和数据格式具有用于屏幕渲染的3D计算机制图的根。这可能会导致在使用数字模型进行打印时遇到一些困难和限制，如下面所述。值得一提的是，随着增材制造技术的成熟并且允许生产非常复杂的非标准几何形状，还存在与物理材料沉积过程直接相关的新的几何表达的积极研究。这允许绕过适合于屏幕渲染的几何处理，但在3D打印的情况下是有问题的。

4.3.准备3D模型

如上所述，在大多数情况下，为了传送用于打印的数字模型，用STL格式保存它就可以了。 许多3D计算机制图程序可以导出STL中的模型。 然而，应该小心使用它们，因为许多这些程序被设计为主要用于3D模型的屏幕渲染。 这意味着他们可以容忍非必要的渲染模型的特定功能，但这将是3D打印的关键。 要注意的要点是：

3D打印是与屏幕渲染相反的物理过程。因此，必须服从物理约束。设计用于打印的模型必须确保模型的所有要素是物理上可实现的。这意味着例如在模型中不允许自由的1D边和2D面;

打印是在重力的存在下进行的。必须考虑模型的稳定性和其部件的重量，以避免损坏已被打印的部件，例如通过断裂成细长的支撑元件;

一些打印技术需要设计孔洞，通过该孔可以撤出过量的非结合材料;

模型的边界表面必须是水密的，这意味着所有的面必须连接并且具有一致的表面法线方向。这是为了区分单独的模型内部和外部空间;

三角形表面必须形成2D流形。特别地，所有边缘必须由恰好两个面共享，并且应当没有奇点，其中模型的边界接触其自身。非流形模型的示例如图5所示。

4.4.软件

Autodesk Inventor是一种软件，允许构建设计的建筑物或设备的完整的3D模型，并为项目创建平面图纸文档。 在使用Inventor时，构想者需要放入在项目上的大多数时间都会牺牲在创意和构想作品。 在模型中进行的所有更改将自动传输到工程图。

在我们对3D打印技术的数字化领域的研究中，我们主要使用Autodesk Inventor[11]和Blender[12]。 Blender是用于3D建模，动画和电脑游戏制作的开源包。Blender令人关注的特性是其基于IfcOpenShell库的IFC模型的导出/导入模块。 此模块允许导入和进一步处理在BIM应用程序（如Revit[11]或Tekla[13]）中准备的模型。

在Autodesk Inventor软件中设计了两种建筑外壳组件的3D模型。 使用ABS材料（丙烯腈丁二烯苯乙烯）和标准RepRap 3D打印机准备并打印“Canal House”和上海盈创公司房屋的墙壁的复制品。

  1. 结论

3D打印技术仍然年轻，并且存在很多限制，但对3D打印建筑和建

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