3D打印混凝土–終極指南

魔猴君  知識(shí)堂   388天前

隨著建筑3D打印技術(shù)的成熟和在全球范圍內(nèi)的普及，建筑材料制造商正密切關(guān)注這一新市場(chǎng)。目前，許多3D打印建筑項(xiàng)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(jià)材料進(jìn)行3D打印。

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

魔猴網(wǎng)和大家通過(guò)本文，一起來(lái)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(dòng)機(jī)或混凝土材料并快速3D打印結(jié)構(gòu)

（渲染來(lái)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(shù)，它可以減少人力、浪費(fèi)和模板，同時(shí)提高生產(chǎn)率和幾何自由度。

此外，建筑工地也在發(fā)生變化。越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)模塊不再完全在現(xiàn)場(chǎng)施工，而是在工業(yè)化和自動(dòng)化條件下預(yù)制并在現(xiàn)場(chǎng)組裝，從而節(jié)省了時(shí)間和金錢，并能在惡劣天氣下施工。

如今，3D混凝土打?。?/span>3DCP）技術(shù)已應(yīng)用于建筑物、住宅、建筑特征以及從水井到墻壁的建筑項(xiàng)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(gè)建筑行業(yè)。

在這里，我們將了解當(dāng)今公司是如何使用混凝土（砂漿、土壤和再生產(chǎn)品）進(jìn)行3D打印的，他們使用的3D打印機(jī)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(diǎn)，以及它與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相比有哪些優(yōu)勢(shì)。

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(shè)的所有監(jiān)管批準(zhǔn)（來(lái)源：PERI）

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

無(wú)論打印機(jī)的配置如何，幾乎所有的打印機(jī)都能連續(xù)擠出面團(tuán)狀的混凝土材料，然后分層鋪設(shè)，形成所需的建筑構(gòu)件。

盡管被稱為3D混凝土打印，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，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(dāng)?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(jìn)行3D打印。事實(shí)上，該技術(shù)的多功能性為使用當(dāng)?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(jī)遇。

傳統(tǒng)的混凝土通常不適合用于3D打印，因?yàn)樗鼤?huì)堵塞打印機(jī)噴嘴，并且無(wú)法與前幾層粘合（更多信息請(qǐng)參閱我們的材料部分）。如今，許多可用的材料都是獨(dú)一無(wú)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(guān)，也與打印機(jī)有關(guān)。

2021年，墨西哥水泥巨頭Cemex設(shè)計(jì)出一種在3D打印過(guò)程中使用傳統(tǒng)預(yù)拌混凝土的方法，即在混凝土中添加一種名為D.fab的物質(zhì)，這種物質(zhì)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(jī)將粘土、沙子和天然纖維混合制成的（來(lái)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(lái)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(jí)增塑劑，以及可提高強(qiáng)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(shí)還具有更好的物理性質(zhì)，可根據(jù)特定用途進(jìn)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(jī)制造商都會(huì)創(chuàng)建自己的專有混合材料，并針對(duì)其3D打印機(jī)（或其直接合作伙伴的3D打印機(jī)）進(jìn)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(dāng)?shù)夭牧祥_(kāi)發(fā)了自己的3D打印水泥，可添加理想的色彩效果

（來(lái)源：Hive 3D）

目前，這些砂漿通常比標(biāo)準(zhǔn)建筑水泥更貴，但這種情況很快就會(huì)改變。墨西哥水泥公司Cemex和阿曼德國(guó)技術(shù)大學(xué)以及打印機(jī)制造商Cobod最近使用標(biāo)準(zhǔn)混凝土3D打印了一棟測(cè)試建筑。

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

CyBe Construction的3D打印砂漿（來(lái)源：CyBe）

3D可打印混凝土材料有一些基本特征。其中一個(gè)因素是干燥時(shí)間。有些材料，如建筑3D打印機(jī)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(wú)需支撐。

WASP等其他3D打印機(jī)制造商的建筑材料都是就地取材，如當(dāng)?shù)氐哪嗤梁驼惩?。?dāng)?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(guó)家。

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

四、3D打印混凝土的優(yōu)點(diǎn)

3D打印混凝土提供了高度的設(shè)計(jì)自由度，可以在沒(méi)有支撐的情況下創(chuàng)建彎曲結(jié)構(gòu)。（來(lái)源：Apis Cor）

過(guò)去五年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)、材料科學(xué)、軟件和3D建筑設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新，用于建筑的3D混凝土打印技術(shù)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(jiǎn)而言之，3D打印有可能在速度、成本效益和生產(chǎn)率方面顛覆建筑業(yè)。然而，它還沒(méi)有達(dá)到這個(gè)水平。目前還沒(méi)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(guò)，建筑商們確實(shí)表示，他們?cè)?D打印技術(shù)上花費(fèi)的材料更少，而且3D打印的房屋部分的完工速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于磚塊或木框。此外，還能節(jié)省勞動(dòng)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(fēng)等極端天氣事件。

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

德國(guó)歐洲首座3D打印多層公寓樓采用COBOD 3D打印機(jī)打?。▉?lái)源：COBOD）

據(jù)最新估計(jì)，到2027年，3D打印建筑市場(chǎng)的價(jià)值將達(dá)到15億美元。

隨著3D打印房屋、學(xué)校、辦公室和宗教場(chǎng)所數(shù)量的增長(zhǎng)，建筑商們意識(shí)到了這項(xiàng)技術(shù)所帶來(lái)的好處，即：

降低材料消耗，因?yàn)閴w結(jié)構(gòu)可以拓?fù)鋬?yōu)化并部分中空

減少浪費(fèi)，無(wú)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(shí)間更短

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

生產(chǎn)率更高（可全天候打?。?/span>

勞動(dòng)力需求更低

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，材料消耗將越來(lái)越低，因?yàn)楦玫牟牧虾痛蛴C(jī)將能夠制造出更復(fù)雜、結(jié)構(gòu)更合理的幾何形狀，而這在目前是不可能實(shí)現(xiàn)的。

越過(guò)沙袋；美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在不到兩天的時(shí)間里用混凝土3D打印了一個(gè)營(yíng)房（來(lái)源：海軍陸戰(zhàn)隊(duì)時(shí)報(bào)）

然而，3D混凝土打印行業(yè)在得到廣泛應(yīng)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(jī)和相關(guān)技術(shù)）

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(hù)打印機(jī)需要大量專業(yè)技術(shù)知識(shí)

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(shù)確實(shí)減少了對(duì)熟練勞動(dòng)力的需求，但所需的工人必須接受過(guò)更高程度的培訓(xùn)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(jié)構(gòu)調(diào)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(gè)市場(chǎng)仍處于發(fā)展階段，但預(yù)計(jì)在未來(lái)10年內(nèi)將進(jìn)入主流市場(chǎng)，尤其是在面臨勞動(dòng)力短缺和住房匱乏的國(guó)家。例如，迪拜的目標(biāo)是到2030年，其四分之一的建筑將采用3D打印技術(shù)建造。據(jù)該國(guó)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(qiáng)了3D打印技術(shù)的作用，可節(jié)省50%-70%的建筑成本和50%-80%的勞動(dòng)力成本，此外還可將建筑施工過(guò)程中產(chǎn)生的廢料比例降低60%。

迪拜未來(lái)辦公室的3D建筑比傳統(tǒng)建筑節(jié)省了50%的人力，產(chǎn)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(gè)月（來(lái)源：GolfNews）

五、不僅僅是建筑物，混凝土3D打印項(xiàng)目也在擴(kuò)展

總部位于奧地利的Incremental 3D使用混凝土3D打印來(lái)制作家具、建筑元素和藝術(shù)品（來(lái)源：Incremental 3D）

3D混凝土打印技術(shù)可能仍處于成熟期，但這并不意味著該技術(shù)沒(méi)有成功應(yīng)用于各種項(xiàng)目。如今，很多家庭都住在3D打印的房子里，人們?cè)?D打印的辦公室里工作，孩子們?cè)?D打印的教室里上學(xué)。我們將在下面鏈接的文章中介紹最新的頂級(jí)項(xiàng)目。

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

2022年末，阿曼德國(guó)技術(shù)大學(xué)（GUtech）與建筑打印機(jī)制造商Cobod合作，僅用8天時(shí)間就在阿曼杜克姆建造了三座建筑?，F(xiàn)在，這個(gè)新的有前途的經(jīng)濟(jì)區(qū)已經(jīng)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(gè)小時(shí)的打印時(shí)間，材料消耗量為19.6立方米混凝土，由99%的當(dāng)?shù)卦牧虾虲OBOD與材料制造商Cemex合作開(kāi)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(jià)值5720萬(wàn)美元的合同，利用月球巖石開(kāi)發(fā)建筑技術(shù)

（來(lái)源：Icon）

該技術(shù)的另一個(gè)新應(yīng)用是在地球以外的地方。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）已經(jīng)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(jià)值5720萬(wàn)美元的合同，以開(kāi)發(fā)其月球建筑技術(shù)，該技術(shù)將使用激光系統(tǒng)融化月球土壤，逐層建造結(jié)構(gòu)。

Icon公司還為美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）完成了一個(gè)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(kāi)始的為期一年的模擬任務(wù)中使用該棲息地。

用于家具和藝術(shù)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(shè)計(jì)師和藝術(shù)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(lái)源：Studio Oberhauser）

N°one椅子由工作室Oberhauser設(shè)計(jì)，是開(kāi)創(chuàng)性的3D打印混凝土椅子系列的一部分，采用最先進(jìn)的高分辨率混凝土噴射技術(shù)（稱為選擇性水泥活化），展示了獨(dú)特的未來(lái)主義設(shè)計(jì)。椅子采用可持續(xù)打印技術(shù)，以回收玻璃為基材，3D打印為一體，具有結(jié)構(gòu)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(zhǎng)期使用。

Roche Bobois提供由Antoine Fritsch和Vivien Durisotti設(shè)計(jì)的3D打印混凝土基桌，可完全定制

（來(lái)源：RocheBobois）

編譯整理：ALL3DP