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3D打印混凝土–終極指南

魔猴君知識堂 323天前

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隨著建筑3D打印技術的成熟和在全球范圍內的普及，建筑材料制造商正密切關注這一新市場。目前，許多3D打印建筑項目使用的是一種類似混凝土的材料，這種材料的固化速度比傳統(tǒng)材料更快，但建筑行業(yè)要求能夠使用現(xiàn)有的廉價材料進行3D打印。

如今，越來越多的3D建筑公司正在開發(fā)自己的水泥基砂漿，這種砂漿使用當?shù)氐募稀F(xiàn)成的波特蘭水泥和混合的低成本市售添加劑。

魔猴網和大家通過本文，一起來了解一下水泥基材料增材制造（又稱3D打印混凝土和砂漿）的現(xiàn)狀。

在月球或火星上建造棲息地的最有效方法可能是用原生土壤制造發(fā)動機或混凝土材料并快速3D打印結構

（渲染來源：Hassell+Eckersley）

什么是混凝土3D打印？

3D打印并不遵循傳統(tǒng)的砌磚工藝。相反，"分層建筑"已成為建筑行業(yè)的一種全新替代技術，它可以減少人力、浪費和模板，同時提高生產率和幾何自由度。

此外，建筑工地也在發(fā)生變化。越來越多的結構模塊不再完全在現(xiàn)場施工，而是在工業(yè)化和自動化條件下預制并在現(xiàn)場組裝，從而節(jié)省了時間和金錢，并能在惡劣天氣下施工。

如今，3D混凝土打印（3DCP）技術已應用于建筑物、住宅、建筑特征以及從水井到墻壁的建筑項目。支持者稱，如果能首先克服一些障礙，它有可能極大地顛覆整個建筑行業(yè)。

在這里，我們將了解當今公司是如何使用混凝土（砂漿、土壤和再生產品）進行3D打印的，他們使用的3D打印機是什么，以及是什么材料使其成為可能。您將了解到3D打印混凝土的基本原理和優(yōu)點，以及它與傳統(tǒng)建筑技術相比有哪些優(yōu)勢。

二、如何使用混凝土3D打印？

PERI的混凝土3D打印獲得了住宅建設的所有監(jiān)管批準（來源：PERI）

3D混凝土打印使用的是超大型3D打印機，通常高度和長度為30英尺，從噴嘴中擠出混凝土。這些機器通常采用龍門式或機械臂式系統(tǒng)。

無論打印機的配置如何，幾乎所有的打印機都能連續(xù)擠出面團狀的混凝土材料，然后分層鋪設，形成所需的建筑構件。

盡管被稱為3D混凝土打印，但嚴格來說，這種材料并不總是混凝土。

建筑公司可以使用各種砂漿、塑料、再生塑料、當?shù)靥烊徊牧希òㄔ虑驇r石和火星塵埃）以及沙子、金屬和粘土進行3D打印。事實上，該技術的多功能性為使用當?shù)夭牧?、廢料和回收材料建造更可持續(xù)的建筑提供了新的機遇。

傳統(tǒng)的混凝土通常不適合用于3D打印，因為它會堵塞打印機噴嘴，并且無法與前幾層粘合（更多信息請參閱我們的材料部分）。如今，許多可用的材料都是獨一無二的，有些還獲得了專利，因此，成功的3D混凝土打印既與材料有關，也與打印機有關。

2021年，墨西哥水泥巨頭Cemex設計出一種在3D打印過程中使用傳統(tǒng)預拌混凝土的方法，即在混凝土中添加一種名為D.fab的物質，這種物質可將混凝土變成一種可延展的材料。

迪拜的3D打印快閃店是使用WASP的建筑打印機將粘土、沙子和天然纖維混合制成的（來源：WASP）

三、3D可打印混凝土材料

3D打印混凝土不僅用于建筑物，還用于建筑元素、墻壁和模板（來源：XTreee）

大多數(shù)情況下，3D打印混凝土是一種基于水泥的混合物，其中包含多種材料，包括可去除混合物中水分以加快干燥的超級增塑劑，以及可提高強度的纖維材料。這些材料更像是砂漿。這種混合物具有與混凝土類似的功能，但打印性更高，有時還具有更好的物理性質，可根據(jù)特定用途進行配制，例如打印房屋墻壁或創(chuàng)建裝飾性建筑元素。

所有3D打印材料都必須具有可擠出性和形狀保持性。大多數(shù)建筑3D打印機制造商都會創(chuàng)建自己的專有混合材料，并針對其3D打印機（或其直接合作伙伴的3D打印機）進行優(yōu)化。專有混合材料的一些例子包括Icon的Lavacrete和CyBe的CyBe Mortar。

總部位于德克薩斯州的3D建筑公司使用當?shù)夭牧祥_發(fā)了自己的3D打印水泥，可添加理想的色彩效果

（來源：Hive 3D）

目前，這些砂漿通常比標準建筑水泥更貴，但這種情況很快就會改變。墨西哥水泥公司Cemex和阿曼德國技術大學以及打印機制造商Cobod最近使用標準混凝土3D打印了一棟測試建筑。

"Cobod公司創(chuàng)始人亨里克-倫德-尼爾森（Henrik Lund-Nielsen）說："雖然我們很樂意幫助水泥和混凝土制造商開發(fā)干混3D打印砂漿，但我們也堅持使用當?shù)噩F(xiàn)有材料制成的真實混凝土作為解決方案，這將是我們的技術大規(guī)模應用所需要的。

CyBe Construction的3D打印砂漿（來源：CyBe）

3D可打印混凝土材料有一些基本特征。其中一個因素是干燥時間。有些材料，如建筑3D打印機公司Mighty Buildings和Icon的材料，是用紫外線固化的。這類材料幾乎可以瞬間固化，并且可以水平打印，無需支撐。

WASP等其他3D打印機制造商的建筑材料都是就地取材，如當?shù)氐哪嗤梁驼惩?。當?shù)夭牧峡梢越档统杀?，?D打印混凝土比傳統(tǒng)混凝土便宜得多，尤其是在發(fā)展中國家。

雖然仍處于研究階段，但使用回收材料（如拆除建筑物產生的廢棄混凝土）進行3D打印也是該技術的一個核心環(huán)保賣點。

四、3D打印混凝土的優(yōu)點

3D打印混凝土提供了高度的設計自由度，可以在沒有支撐的情況下創(chuàng)建彎曲結構。（來源：Apis Cor）

過去五年來，隨著機器人技術、材料科學、軟件和3D建筑設計方法的創(chuàng)新，用于建筑的3D混凝土打印技術發(fā)展迅速。但這是為什么呢？與傳統(tǒng)建筑方法相比，它能提供什么？

簡而言之，3D打印有可能在速度、成本效益和生產率方面顛覆建筑業(yè)。然而，它還沒有達到這個水平。目前還沒有證據(jù)表明，已建成的房屋和建筑的成本大大低于傳統(tǒng)制造成本。不過，建筑商們確實表示，他們在3D打印技術上花費的材料更少，而且3D打印的房屋部分的完工速度遠遠快于磚塊或木框。此外，還能節(jié)省勞動力，而且混凝土房屋或建筑有可能在夏天更涼爽，冬天更炎熱，并能抵御颶風等極端天氣事件。

在全球范圍內，已經有數(shù)十座房屋和建筑被3D打印出來，在2023年計劃的3D打印建筑項目中，大多數(shù)是多棟房屋開發(fā)項目或整個社區(qū)，這表明隨著數(shù)量的增加，該技術的成本和速度可能會使傳統(tǒng)建筑方法黯然失色。

德國歐洲首座3D打印多層公寓樓采用COBOD 3D打印機打?。▉碓矗篊OBOD）

據(jù)最新估計，到2027年，3D打印建筑市場的價值將達到15億美元。

隨著3D打印房屋、學校、辦公室和宗教場所數(shù)量的增長，建筑商們意識到了這項技術所帶來的好處，即：

降低材料消耗，因為墻體結構可以拓撲優(yōu)化并部分中空

減少浪費，無需大型混凝土模具或模板

與砌磚或混凝土成型相比，建筑時間更短

更大的設計自由度，可以制作傳統(tǒng)混凝土成型無法制作的幾何形狀（曲線、空心等

生產率更高（可全天候打印）

勞動力需求更低

隨著技術的進一步發(fā)展，材料消耗將越來越低，因為更好的材料和打印機將能夠制造出更復雜、結構更合理的幾何形狀，而這在目前是不可能實現(xiàn)的。

越過沙袋；美國海軍陸戰(zhàn)隊在不到兩天的時間里用混凝土3D打印了一個營房（來源：海軍陸戰(zhàn)隊時報）

然而，3D混凝土打印行業(yè)在得到廣泛應用之前還面臨著必須克服的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括

初始投資成本高（打印機和相關技術）

打印尺寸的限制（主要是垂直打?。?/span>

材料選擇有限

操作和維護打印機需要大量專業(yè)技術知識

打印元件的表面處理可能不美觀

建筑法規(guī)障礙

雖然3D打印技術確實減少了對熟練勞動力的需求，但所需的工人必須接受過更高程度的培訓和教育。此外，安裝管道和電氣等工作仍需要人工完成，而且他們需要根據(jù)新結構調整自己的工作流程。

盡管3D打印住宅和建筑如今已成為頭條新聞，但混凝土3D打印作為一個市場仍處于發(fā)展階段，但預計在未來10年內將進入主流市場，尤其是在面臨勞動力短缺和住房匱乏的國家。例如，迪拜的目標是到2030年，其四分之一的建筑將采用3D打印技術建造。據(jù)該國總理兼統(tǒng)治者謝赫-穆罕默德-本-拉希德-阿勒馬克圖姆（Sheikh Mohammed bin Rashid Al Maktoum）介紹，這一舉措增強了3D打印技術的作用，可節(jié)省50%-70%的建筑成本和50%-80%的勞動力成本，此外還可將建筑施工過程中產生的廢料比例降低60%。

迪拜未來辦公室的3D建筑比傳統(tǒng)建筑節(jié)省了50%的人力，產生的建筑垃圾也減少了60%。打印花了17天，安裝了兩天，搭建了三個月（來源：GolfNews）

五、不僅僅是建筑物，混凝土3D打印項目也在擴展

總部位于奧地利的Incremental 3D使用混凝土3D打印來制作家具、建筑元素和藝術品（來源：Incremental 3D）

3D混凝土打印技術可能仍處于成熟期，但這并不意味著該技術沒有成功應用于各種項目。如今，很多家庭都住在3D打印的房子里，人們在3D打印的辦公室里工作，孩子們在3D打印的教室里上學。我們將在下面鏈接的文章中介紹最新的頂級項目。

3D打印混凝土家具、花園墻壁、藝術品、建筑元素和公共工程項目也證明了這項技術的優(yōu)勢。

2022年末，阿曼德國技術大學（GUtech）與建筑打印機制造商Cobod合作，僅用8天時間就在阿曼杜克姆建造了三座建筑?，F(xiàn)在，這個新的有前途的經濟區(qū)已經有了一家3D打印咖啡店、一座3D打印公共廁所和一座3D打印漁夫之家。

871平方英尺的咖啡店總共需要22個小時的打印時間，材料消耗量為19.6立方米混凝土，由99%的當?shù)卦牧虾虲OBOD與材料制造商Cemex合作開發(fā)的Dfab解決方案制成。

2022年11月，NASA宣布與3D建筑打印公司Icon簽訂價值5720萬美元的合同，利用月球巖石開發(fā)建筑技術

（來源：Icon）

該技術的另一個新應用是在地球以外的地方。美國國家航空航天局（NASA）已經委托制作月球和火星的3D打印棲息地原型，最近還授予3D建筑打印公司Icon一份價值5720萬美元的合同，以開發(fā)其月球建筑技術，該技術將使用激光系統(tǒng)融化月球土壤，逐層建造結構。

Icon公司還為美國國家航空航天局（NASA）完成了一個1700平方英尺的模擬火星棲息地，名為"火星沙丘阿爾法"（Mars Dune Alpha），宇航員將在2023年開始的為期一年的模擬任務中使用該棲息地。

用于家具和藝術品的3D打印混凝土

3D打印展現(xiàn)了混凝土的最佳性能，使建筑師、設計師和藝術家能夠突破媒介的限制。

Studio Oberhauser用混凝土3D打印的N°one椅子（來源：Studio Oberhauser）

N°one椅子由工作室Oberhauser設計，是開創(chuàng)性的3D打印混凝土椅子系列的一部分，采用最先進的高分辨率混凝土噴射技術（稱為選擇性水泥活化），展示了獨特的未來主義設計。椅子采用可持續(xù)打印技術，以回收玻璃為基材，3D打印為一體，具有結構穩(wěn)定性和連續(xù)光滑的表面。這種創(chuàng)新方法制造出的椅子重量輕、非常耐用，適合在各種環(huán)境中長期使用。