增材制造技术及其在建筑中作为生态创新方案实施

一、建筑行业的创新

创新和研究将在建筑性的系统性变革中发挥关键作用，利用其他地方的技术将加强许多竞争优势。增材制造技术有潜力帮助建筑行业转型为响应迅速的先进行业，但需要制定/开发不同等级的先进可印刷原料，以使该技术更有效地制造建筑结构元件。普遍的看法是，增材制造[1、2]与对定制、灵活性、设计复杂性以及降低交付最终产品的高额运输成本的需求至关重要的行业最相关，因此，建筑行业成为潜在的主要受益者。分层施工的简单方法是一种在建筑领域已经实践了很长时间的过程，例如传统的砌砖技术。先进建筑技术的真正新颖之处在于将新型高效和可持续材料与数字时代最先进的工具相结合，使用建筑设计软件作为前端，并结合机器人技术的不同组件来自动化和优化已手动验证的流程。通过使用尖端技术来提高预测和适应能力。

（一）增材制造技术在建筑领域的示范

在整个行业中，有一些记录声称在打印建筑物方面取得了不同程度的成功。例如，中国建筑公司盈创公司声称在 2014 年仅 24 小时内 3D 打印了 10 个房屋。

（二）建筑增材制造的优势和挑战

增材制造对建筑行业具有许多开创性的好处，并且可以提供比传统技术更多的优势，包括减少材料浪费（高达 30%) ）、降低能源使用、原位生产、扩展建筑/设计自由度和更少整个产品生命周期中的资源需求和相关的 CO2排放[3]。它还引发了劳动力结构的变化，包括性别平等，以及更安全的工作环境，并导致向更加数字化和本地化的供应链转变。从架构师的角度来看，AM 可以为他们的业务提供强大的工具，因为它能够更快地创建物理模型并具有更好的分辨率，从而能够实现其设计的复杂性。AM 还使客户能够共同设计完全符合他们需求和抱负的产品。另一方面，一些限制限制了 AM 的广泛应用。认证新组件并对其进行表征是并且可能将在更长时间内成为 AM 建筑行业的最大障碍之一。尤其是在欧洲，建筑行业主要依靠既定的流程和材料选择标准来确保一致性和质量，缺乏与增材制造相关的标准将阻碍未来几年增材制造在零件批量生产中的应用。此外，目前尚不清楚建筑行业的增材制造是否会导致成本增加或成本降低，因为在最近的经济危机之后，该行业仍然对成本过于敏感。从这个意义上说，重要的是AM 的生命周期成本是根据材料原料和印刷系统进行评估的。

二、建筑增材制造对社会经济和环境的影响

现代建筑行业正处于政策转变的时期，从以盈利为目的的业务转变为不断适应社会经济和环境驱动的实体。在此背景下，材料原料应该为这项技术仔细选择 AM，以证明其作为环境和生态创新解决方案的影响。借助增材制造和正确的循环模型，建筑拆除废物 (CDW) 的再利用和回收利用可能会指导建筑行业成功实施循环经济。然而，这始终需要对废物进行有效的处理分类和智能拆除建筑操作，与深入的原料配方研究（即选择适当的混合物和混合设计）密切合作，以利用建筑创造技术先进且商业上可行的可印刷原料废物为主要资源。如果这个愿望能够实现，通过增材制造，可以在很大程度上将建筑行业的增长与资源开采脱钩，并带来巨大的环境、社会和经济效益。AM 作为建筑环境中的生态创新将意味着建立一种新颖且价格具有竞争力的流程和/或系统，完全专注于以最少的有毒物质和浪费来满足人类需求。在评估增材制造驱动产品的可持续性时，必须考虑其整个生命周期以实现其影响。实际的制造过程只是与产品生命周期相关的众多环境影响之一。AM 作为建筑环境中的生态创新将意味着建立一种新颖且价格具有竞争力的流程和/或系统，完全专注于以最少的有毒物质和浪费来满足人类需求。在评估增材制造驱动产品的可持续性时，必须考虑其整个生命周期以实现其影响。实际的制造过程只是与产品生命周期相关的众多环境影响之一。作为建筑环境中的生态创新，增材制造将意味着建立一种新颖且价格具有竞争力的流程和/或系统，完全专注于以最少的有毒物质和浪费来满足人类需求。在评估增材制造驱动产品的可持续性时，必须考虑其整个生命周期以实现其影响。实际的制造过程只是与产品生命周期相关的众多环境影响之一。在建筑中实施增材制造技术成功的衡量标准之一是它能够在生命周期的基础上减少对环境的总体影响，因为它能够显着提高资源效率，并可能引发可持续生产和消费的新模式。可以在AM 的不同阶段和规模上努力关闭或减缓材料的资源循环，当未使用的AM 材料（粉末或树脂）可以轻松回收时，在制造过程中可以在本地实现最高价值的回收。最终，就地回收系统可以与 AM 相关联；将处于生命周期结束阶段的产品转化为废物资源流，并为相同用途或任何其他更广泛的替代应用生成新的原材料。

格布勒等人从全球角度定性和定量地评估了工业增材制造对可持续性的影响。模型计算表明，到 2025 年，AM 有可能将生产成本降低 170-5930 亿美元 次能源供应总量降低 2.54-9.30 EJ，相关的 CO2 排放量降低130.5-525.5 Mt。预期的节约潜力可以通过技术的初级状态以及预测相关市场和机器人性能演变的相关不确定性来证明。

建筑业中的增材制造仍然会产生一种合理的怀疑认为它会导致失业。据预测，传统的生产工作不会丢失，但事实上，随着增材制造技术在建筑行业的坚定实施，以及潜在的人群，将被新的、更合格的工作所取代。用于更多的创造性活动。作为补充，预计这些新技术的出现不仅将促进性别平等的行业，而且在健康和安全问题方面也将得到显着改善，大大减少工作事故并延长工人的活跃时间。

三、用于建筑增材制造的材料原料

材料科学不可避免地被视为决定增材制造技术在该领域取得成功的重要劳动力。可印刷原料配方通常是散装材料（例如土壤、沙子、碎石、粘土、再生骨料）与粘合剂（例如波特兰水泥、粉煤灰、聚合物）和可加工性添加剂/化学试剂混合的组合。

（一）水泥基材料

水泥基材料是在增材结构中广泛使用的研究最多的选择。这是因为它们独特的新鲜和硬化特性以及可能产生的各种可能的原料（包括流变改性剂）和可用于定制其性能的混合物。没有相关的指导方针或一套程序来评估适合用水泥基材料打印的混合物。目前缺少指导方针使非专家更难优化混合设计。挤压水泥基材料需要快速凝固和低坍落度[4、5]，因为材料在离开挤出喷嘴后没有支撑。控制参数高度依赖于参数，例如密度、粒度，尤其是粘度，它是混合物成分和水灰比的函数。外加剂用于实现特定性能，例如自密实（即超增塑剂）、高内聚力/强度（即硅粉）、低 CO₂ 足迹和增加的可加工性（即飞灰）、延展性（即微纤维）、粘度改性剂等。优化的水泥基原料配方通常需要彻底调查以确定混合物参数之间的联系。即使混合设计的微小变化也会对新鲜状态产生明确的影响材料行为，这对于挤出过程和随后的硬化和固化阶段至关重要，直到产品的最终性能。需要仔细平衡，使材料保持足够的粘附性，但发展出足够的刚度来支撑其自重。水泥基材料的流变特性对其流动特性至关重要，即所需的泵送压力。在这种情况下，有人研究了一种新设备，即滑管流变仪（滑靴），以提供更准确的泵压和流

速近似值。

（二）聚合物基材料

聚合物可以考虑用于建筑中的增材制造。因为它们兼具低成本和低密度，同时能够以准备好沉积和可控的状态进行储存，这与基于水泥的原料不同。聚合物增材制造已被广泛探索用于许多可能和多样化的应用，例如在航空航天工业中用于创建复杂的轻量级结构、在建筑工业中用于结构模型、在艺术领域用于人工制品复制或教育，以及医疗领域用于打印组织和器官。尽管如此，这些产品中的大多数仍然用作概念原型而不是功能机制，因为纯AM 制造的聚合物产品作为功能齐全的承重部件缺乏强度。光敏树脂、尼龙、弹性体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS) 和蜡等聚合物材料可用于生产具有立体光刻 (SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型 (FDM)和三立体印刷 (3DP) 工艺。虽然尼龙，即聚酰胺 (PA)，是 SLS 工艺中最广泛使用和研究的聚合物之一，其熔融和粘合效果比其他聚合物好得多，但 ABS 是一种流行的材料，用于FDM 工艺。3DP 工艺还加工了不同的聚合物，例如蜡、弹性体和淀粉基聚合物。尼龙、弹性体、ABS 和蜡是热塑性塑料，这意味着它们会从较硬的（固体和玻璃状）结构转变为较软的结构，然后在加热到高温（ (180-200^∘ C）时熔化成粘性流动液体。另一方面，生物聚合物，如聚己内酯(PCL)、聚醚醚酮 (PEEK)、淀粉基聚合物和聚乳酸 (PLA)也已用于 AM 使用 SLS、FDM和 3DP 过程。

生产纤维增强聚合物复合材料的常用技术是 FDM 和直写技术。聚合物粒料和填料/纤维首先在混合机中混合，然后输送到挤出机以细丝形式制造，用于 FDM 加工。可以进行额外的挤出过程以确保纤维的均匀分布。对于直接书写处理，聚合物和纤维首先混合并直接挤出。FDM 打印的一个常见缺点是复合材料必须呈细丝形式才能进行挤出过程。此外，FDM 材料仅限于具有合适熔体粘度的热塑性聚合物. 然而，FDM 打印机可以设置多个装载不同材料的挤出喷嘴，从而使打印部件可以通过优化的成分实现多功能化。例如，直径为 2.85 毫米的FDM 长丝“Woodfill Fine”用于打印木纤维生物复合材料（纤维含量为 10–12 wt%）和其他商业产品，如Laywoo-D3 (40wt% 木材纤维）和来自 FormFutura 的 EasyWood Coconut（40 wt% 椰子纤维）也可用于 FDM。Woodfill 细丝被描述为 PLA 和聚羟基链烷酸酯的混合物(PHA) 基体，用再生木纤维增强。由于纤维各向异性，木纤维增强生物复合材料的 FDM 导致机械性能强烈依赖于打印方向（0 或 90^∘ ）。机械性能还取决于印刷宽度（长丝的重叠），其杨氏模量比热压产品低。毫不奇怪，印刷生物复合材料的微观结构具有相对较高的孔隙率（约 20%) ），这往往会导致损坏机制和更高水平的吸水率。

四、 建筑研究中的增材制造

集体和多学科研究方法是成功实现 AM 影响及其作为建筑生态创新解决方案成功实施的途径。来自不同科学领域与技术的相互作用将使通过 AM 实现生态高效设计成为可能。所有行动都应促进市场采纳通过工业和用户驱动的多学科协会开发的解决方案，涵盖建筑价值链。从材料的角度，即可印刷的原料和配方，到印刷技术配置，即机器人辅助机械的类型、印刷分辨率、喷嘴类型、形状和尺寸必须开发、优化并最终从实验室演示到接近市场大型试点规模。还应彻底研究用于承载能力的机械加固和/或智能自增强几何形状等性能资产，以实现：i) 卓越的能力，ii) 标准化合规性，以及 iii) 进入市场的独特竞争特征，所有这些都可以使 AM 对建筑行业产生重大的积极影响。

在越来越循环经济的方法中，未来的市场驱动研究通常应尝试包括所有六种 ReSOLVE（再生、共享、优化、循环、虚拟化和交换）原则以系统的方式帮助建筑业进一步采用循环资源效率。例如，材料科学家目前正在研究/开发可印刷的水泥基配方，用于使用加工过的建筑和拆除废物 (CDW) 的增材制造原料。成果和循证知识应通过专门的演示、原型、商业计划、技术文件和生命周期/成本分析报告进行传播，这将验证建筑行业循环经济愿景的经济和环境可行性。预计增材制造最初应进入限制较少和标准化的建筑市场，例如城市家具和公共临时或中期设施，所有这些都具有任何其他传统技术无法比拟的标志性和独特的建筑和功能/美学设计。预计这些利基细分市场将为建筑行业的增材制造提供更简单的途径，并有更大的潜力获得更快的市场接受度，因为该分支的法规和标准比建筑物的结构承重元件更为宽松。

从多学科的角度来看，建筑增材制造的研究还应该针对监测和控制印刷过程的概念的发展，即相机和图像处理。这可以允许早期检测故障和异常事件，从而提高系统可靠性和降低容错能力。图像处理监控的基本思想与逐层打印过程的性质密切相关，包括捕获每层的2D 图像并将其与设计的 3D 模型的相应部分进行比较。

结论

本文强调了材料配方的重要性。为了在建筑规模上成功实施增材制造（例如结构坚固性），对材料及其固化机制的详细了解以及正确选择的外加剂至关重要。AM 在建筑中的实施可能具有破坏性，但它作为生态创新解决方案的潜力肯定已经得到了证明。如果要实现增材制造在建筑中的潜力，该过程应该具有完美的配置（连续的原料输送以确保夹层之间的一致性和凝聚力，包括适当的混合器/泵设置）以及准确选择材料等级及其配方（即外加剂/增容剂）。在建筑中成功实施增材制造的进一步贡献应侧重于性能标准化、材料标准、层间粘合和结构设计。采用 AM 作为一种先进技术似乎在未来的建筑中占有一席之地，在以下方面很可能是无与伦比的：缩短本地化价值链和生产费用，提高资源效率和环境可持续性包括回收材料和降低运输成本。建筑设计将允许终端用户交互并创建一个动态的开源协同建设平台，以及促进更安全、平等和更合格的工作。

参考文献

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[2] C.戈塞林、R.杜巴莱、P.鲁、N.高迪利埃、J.迪伦伯格、P.莫雷尔《超高性能混凝土的大规模3D 打印——建筑师与施工方的新加工路线》。《材料设计》，100 卷（2016 年），第 102-109 页，10.1016/j..2016.03.097

[3] I.佩金斯、M.斯基特莫尔。《建筑行业三维打印技术综述》。《国际冲突管理杂志》，15 卷（2015 年），第 1-9 页，10.1080/15623599.2015.1012136

[4] T.迪卡洛、B.科什内维斯、Y.陈《增材制造中的新鲜混凝土泵送性能研究》。《美国机械工程师学会 2013国际机械工程大会及博览会论文集》（IMECE，2013），10.1115/IMECE2013–63996

[5] [5]V.梅赫切林、V.N.内雷拉、K.卡斯滕《滑管流变仪检测混凝土可泵送性》。《建筑与建筑材料》，53卷（2014 年），第 312-323 页，10.1016/j.2013.11.037