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生态学和新建筑材料和产品国际会议，ICEBMP 2016
建筑和建筑部件的3D打印是否可作为
未来的可持续建设？
Izabela Hager *，Anna Golonka，Roman Putanowicz
克拉科夫理工大学，Warszawska Str。 克拉科夫，波兰
摘要
本文提出了关于建筑物和建筑部件的3D打印领域当前成就的最先进的技术。与构建建筑物的传统技术相比，3D打印技术可以被认为是环境友好的衍生物，为几何复杂性实现提供几乎无限的可能性。本文中描述了两种技术，指出Contour Crafting是一种有希望的技术，可能会在不久的将来彻底改变建筑业。可以引用这种技术的许多优点，例如降低成本和时间，最小化环境污染和减少施工现场的伤害和死亡。尽管有许多优点和希望，但在结论中总结了一些问题，因为技术仍然有许多限制。简要描述了建筑行业3D打印的开创性使用的几个例子（在阿姆斯特丹的Canal House，WinSun公司和由Skanska公司实施的建筑的印刷应用）。创建一个模型适合3D打印机在许多不同的建模程序中是可能的。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，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 简介
第一台3D打印机是1984年发明的，在过去几十年中，3D打印已经成为增长最快的技术之一。在开始它是非常复杂并且昂贵的技术。 多年来，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也取得了很多成就。 由于开放源代码系统，新产品的原型设计和3D打印在各个领域的创新应用程序可用于每个人。
印刷材料和3D技术的改进成为来自所有工业部门的世界上许多公司的目标。在2014年，建筑行业的真正革命开始了，因为第一所房子的成功打印开启了建筑技术的新篇章。
本文中提出的问题是：3D打印技术是否足够有效地走出实验室设置，并被建筑行业所接受？ 3D打印是否可以取代传统的建筑技术？ 最先应用此技术的应用领域是什么？
2 3D打印技术及其材料
3D打印的理念早在1983年诞生，当时Charles W. Hull想出了用UV光固化桌面涂层的想法[1]。 这个简单的想法导致他发明了立体光刻，3D打印的第一技术。 立体成像是快速成型的第一种技术，这意味着通过计算机支持的元件的快速，精确和可重复的生产开始形成。创造该技术的第一步是发明对合成树脂的添加，在树脂变亮之后引起聚合过程的开始。 立体定位是一种能够以高精度和极其复杂的几何构建物体的技术，这就是为什么它被用于许多领域，例如医学，汽车和飞机工业，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产生物体。 在SLS技术中使用的材料通常具有高强度和柔性。 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]。在冷却过程中自身硬化的延性材料通过双头喷嘴挤出。根据从支持打印机的数字模型产生的横截面层，沉积建模和支撑材料。喷嘴包含电阻加热器，其将灯丝保持在适当的熔点，这允许其在形成层的情况下容易地流过喷嘴。像其他技术一样，创建一个图层后，平台正在降低，下一个图层被创建。重复该过程直到整个对象完成。通常在FDM技术中使用的材料被称为长丝，并且在打印机中用作热塑性材料如ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）或PLA（聚乳酸）的辊，其是完全不同种类的热塑性材料。它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，开发了多种材料，提供各种性能，并允许增加应用范围，并给予打印木材（PLA与木纤维），金属（PLA与青铜），砂岩（PLA与磨粉） [3]。
3 建筑工业中3D打印应用的例子
3.1 阿姆斯特丹的Canal 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个房子。
在欧洲，这是第一个将完全由3D打印技术实现的项目。项目称为3D打印运河之家，在阿姆斯特丹，它将需要至少三年。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，因为它可以运输到世界各地，由于这点，材料的运输成本及其在建筑工地上的存储成本将不存在了。估计项目的时间，以便他们研究印刷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行业3D打印的潜在用途[4]。
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。过程在计算机上开始，其中在相应的3D程序模型中创建和转换为所需的格式。 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铺设。创建一个图层后，另一个图层构建在上一个图层上。 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，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，使得该组件将保持其形状。
3.2 WinSun公司大楼
WinSun装饰设计工程公司是一家中国企业，工作材料类似于混凝土，将适合用于3D打印技术。在2014年，他们已经完成了建造用3D技术打印的房子。该技术基于作为预制元件印刷并组装在现场的建筑部件。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）。壁具有对角增强的图案，具有用作绝缘层的中空结构。组件在工厂中进行印刷，并且在印刷之后，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，建筑完成。每栋建筑的估计成本为4800美元。
年后，中国开发商也使用与以前的房屋相同的技术打印了五层楼（图1b）。这座建筑仍然是世界上3D打印的最高建筑[5]。
a) b)
图1（a）2014年由WinSun公司印制的第一栋房子; （b）以3D打印的五层建筑[5]。
3.3 原位轮廓工艺
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发生。 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，从而为施工过程的自动化提供了巨大的机会。 Khoshnevis [6]提出的主要优点是，将主要由机器执行的过程将更安全，并且使用合适的材料和打印机的良好参数将减少其成本和时间。 3D打印还将允许创建无限的建筑灵活性和最高精度的大型组件。 发明人的想法是创建一种打印机，其将具有在安装在建筑工地的两个平行车道上移动的一个或几个喷嘴，所述喷嘴与建筑物的宽度相比自己分开几米宽。下一部分的过程是与先前技术相同，材料通过喷嘴挤出并以空块的形状铺设，内部具有横向图案以确保所需的刚度和强度。
现有的Contur Crafting技术实现的例子来自Andy Rudenko的花园，他在那里管理构建一个城堡（图2a和b），使用来自RepRap 3D打印开源项目的技术和软件。打印机中使用的材料是水泥和沙子的混合物。整个建筑是印在一个单一的运行，除了塔，分别印刷并组装到建筑[7]。
a) b)
图2（a）原位印刷的第一结构; （b）打印进度[7]。
3.4 建筑部件3D打印中的材料问题
在Canal House中使用的熔融沉积模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构建涉及3d技术的项目中最大的挑战。在荷兰项目中，使用由Henkel开发的热塑性生物基材料。然而，汉高目前正在使用一种新开发的生态混凝土进行一些测试，可用于运河工程项目的后期阶段，以提高印刷件的抗压强度。对于项目的这个阶段，建筑部件，易于连接在一起，内部具有蜂窝形状的间隙，被设计成填充有特殊的轻质混凝土，由于其空气夹带结构，确保建筑物的绝缘。每个元素都包括许多对角空心柱，将支持整个结构。一个房子将在现场打印13间房间并组装成一个房子。该建筑的另一个优点是，所有部分也可以分开，如果房子需要重新安置[4]。
在中国WinSun项目中，立体印刷使用工业废料，玻璃纤维，水泥和硬化剂的混合物。开发的材料允许逐层创建建筑组件，就像在普通的3D技术。期望的混合物需要具有最大可加工性以及最大流动性容易放置在层数。这些层必须确保与随后的层同时结合。由于需要抗压强度，水含量应该最小化，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触变性的。液体状态材料应在适当的时间内并且在铺设下一层之前硬化。工程师正在努力寻找快速凝固混凝土的最佳配方，这种混凝土将能够被足够的管理，以便从打印机的喷嘴中抽出并与钢筋混凝土一样坚固。
用于建筑部件的3D印刷的可能的材料溶液可以是硫磺混凝土，其是由硫和聚集体（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。 140°C [9]。冷却后混凝土达到目标强度，没有延长固化时间，像正常混凝土。硫磺混凝土被认为是月球基地避难所的潜在建筑材料[10]。
4 3D打印计算机模型的准备
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。这些当然是采用3D打印技术的关键问题。 然而，一个重要的要素也是要制造的部件的计算机模型的准备。 幸运的是，3D计算机图形在软件和硬件方面的水平使得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以及开源软件包。
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，处理所保存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。
图3. 3D打印过程的典型工作流程
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剖分，如图4所示。如果使用B-Rep（边界）表示构建实体模型，这是最容易完成的，因为对于该表示，实体边界被明确地存储在模型内。 出口这样的关键要素表示到STL格式是曲面的三角测量。 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。
a) b)
图4 （a）蜂窝; （b）蜂窝网
虽然STL是用于3D打印的流行输入格式，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直接从其本地表示中的模型生成。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计算机图形的根源。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，如下一点所述。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示的积极研究。这允许绕过几何处理，其适合于屏幕渲染，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，为了发送用于打印的数字模型，要以STL格式保存它。许多3D计算机图形程序可以导出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打印是一种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元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;
- 打印在重力存在下进行。必须考虑模型的稳定性和其部件的重量，以避免损坏印刷部件，例如通过断裂成细长的支撑元件;
- 一些印刷技术需要设计孔，通过该孔可以排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取向。这是为了区分独特的模型内部和外部空间;
- 三角形表面必须形成二维流形。特别地，所有边缘必须由恰好两个面共享，并且应当不存在奇异点，其中模型的边界接触自身。非流形模型的示例如图5所示。
图5. 3D模型的歧管（绿色
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