3D打印建筑发展动态分析报告（上）

3D打印技术，被誉为“第三次工业革命”的重要制造技术，正随着经济的发展逐渐深入到汽车工业、机械制造、生物医疗、食品、教育、建筑、航天航空等工业领域。随着人口的不断增加，住房、工业等建筑的需求也不断的增大。但随着社会老龄化的不断加剧、劳动力的丧失，传统的施工工艺已经不能满足需求，使得住房问题也是迫在眉睫。随着3D打印技术的不断发展，特别是3D打印技术在建筑行业的成功应用，为解决住房问题提供新的发展思路。

与传统的建造工艺相比较，3D打印建筑技术具有施工速度快、工期短、施工成本低、材料利用率高、环境污染小等优点。可以说，3D打印技术在建筑业中应用是一次巨大的改革创新，它所引领的产业变革有望成为建筑业未来的方向。因此，3D打印建筑将有着广阔的发展前景。
通过了解国内外3D打印技术和3D打印建筑发展的最新动态，学习国内外先进的技术应用及发展方向，填补集团在3D打印建筑相关领域内的空白。

报告内容
第一部分：3D打印技术的发展及意义
1.1 3D打印技术的发展历程
1）3D打印技术的起源
3D打印技术最原始的思想在19世纪起源于美国，但是因为当时的科学技术并不发达，一直到20世纪80年代的时候才有了进一步的发展。
1983年，查尔斯·赫尔发明了液态树脂固化（或光固化)3d打印技术，并在第二年获得了美国专利。

在20世纪80年代的中期，在美国的德州大学奥斯汀分校的Karl Deckard博士开发了SLS（选择性激光烧结技术）并且获得了专利。
1986年，查尔斯·赫尔开发了第一台商业3D打印机，有史以来第一件结合电脑绘图、固态激光与树脂固化技术的3D打印技术之专利证书。在此之后，3D打印技术才算是真正的面向了世界。

2）3D打印技术的发展
在1983年后，3D打印技术进入了一个较快的发展阶段。通过表1的表中，我们可以直观的看出3D打印技术在一步步成熟起来。

表1 3D打印技术发展历程

通过表1可以发现，3D打印技术的发展越来越快，越来越贴近于生活，我们完全有理由可以相信3D打印机技术的发展会改变我们对世界的认知。

1.2 3D打印技术的国内外发展现状
国外方面，经过30多年的探索和发展让3D打印技术有了长足的进步。
目前在全球3D打印机行业中，美国的3D Systems和Stratasys两家公司占据了绝大部分的市场。除了以上两家公司外，国外在3D打印这个领域拥有比较强技术实力或者比较有特色的企业和研发团队中，还有美国的Fab Home和Shapeways、英国的Reprap等。

在快速成型设备上，3D Systems公司是全球最大的开发公司。自从在2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司后，它就奠定了3D打印技术领域上的龙头地位。Solidscape也不甘示弱，先是在2010年和传统传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM（即代工生产）合作协议，生产HP品牌的3D打印机。在2012年4月更是和以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。目前，国际上的3D打印机制造业正在处于迅速的兼并与整合过程中，而行业的巨头也是在加速崛起。

在欧美等发达国家，成功的3D打印商用模式已经初步形成。在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域。3D打印技术可以凭借着自身的优势，以比较低廉的成本，较高的生产效率来生产小批量的定制部件，完成一些复杂而精细的造型。 与国外相比，国内3D打印的发展相对来说比较晚，在技术上和市场上与国外发达国家还有一定的差距。

从20世纪90年代至今，国内的众多高校和企业开始自主研发3D打印技术。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面具有着科研优势：华中科技大学而在层实体制造工艺方面更具优势，并且已经推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学首先自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm；在微制造、光电器件等领域，中国科技大学自行研制的八喷头组合喷射装置可以的得到应用。虽然众多高校都在自主研发3D打印技术，但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。

此外，国内的众多企业也纷纷投入到对3D打印技术研究当中，并实现了3D打印机的整机生产和销售，如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业。这些企业有一个共同的特点由海外归国团队建立，规模比较小，和国外的厂商相比，同类产比还处于低端。目前，国产的3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面的商用还难以满足需求，技术水平还有待进步提高。和内地相比较，港台地区的3D打印技术引入起步比较早，应用的更加广泛。

1.3 发展3D打印技术的意义
英国的《经济学人》杂志发表的《第三次工业革命》里面，把3D打印技术称为第三次工业革命的重要标志之一，这一观点，引发了世人对3D打印的关注。作为新生事物，发展3D打印的意义何在？

第一，制造工艺的深刻变革。3d打印的特点在于通过逐层堆积材料进行加工，而不是通过去除多余材料进行加工。因此，这项工艺也被称作“堆积制造”或“添加制造”。这改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间，带来了制造工艺的深刻变革。
第二，制造技术的重大飞跃。3d打印技术是一种新兴的高科技技术，综合应用了cad/cam技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，3d打印技术的不断成熟将推动包括新材料技术、智能制造技术和堆积制造技术实现大的飞跃。
第三，制造模式的一次“革命”。3d打印作为一种新的加工工艺，将改变第二次工业革命产生的以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变，实现生产方式的根本变革。3d打印机的推广应用将减少产品推向市场的时间，产品用户只要简单下载设计图在数小时内通过3d打印机将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要库存大量的零部件，不需要大量的工人。

第二部分：3D打印建筑的国内外发展现状
2.1 3D打印建筑的概念
3D打印建筑技术是利用工业机器人逐层重复铺设材料层构建自由形式的建筑结构的新兴技术，这种工艺原理叫做增材制造，通过逐层累积最终形成一个成品。其构成和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的。根据电脑上设计的完整的三维模型数据，通过一个运行程序将材料分层打印输出并逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为建筑实物。一个房子或者一群房子，即使每幢建筑形态各异，都可以通过一个运行程序来自动构建。

2.1 3D打印建筑的国外发展现状
从1986年Charles Hull独创了将数字资源转换成实体模型的技术到现在的3D打印技能运用到模具与模型制作、航天航空、食品产业、生物医疗、建筑工程、教育教学以及手势和日常用品的个性化定制等各个领域，3D打印技术已经经过了一个持久且艰苦的成长道路。与其他应用领域相比，新兴领域3D打印建筑才刚起步，目前仍停留在打印样板房的阶段，距大规模量产尚有距离。但其凭借着省人力、成本低、速度快、环保绿色的优势，未来势必掀起工程建筑领域的革命，其潜在的发展前景已获得业内认可。

从2013年开始，3D打印建筑在全球悄然兴起，世界各国都掀起了3D打印房屋的热潮。2013年1月，荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑设计师Janjaap Ruijssenaars设计了全球第一座3D打印建筑物“LandscapeHouse”，并且带着这个项目参加了Europan竞赛。

图2-1 Landscape House

2013年8月，美国加州奥克兰的设计工作室完成了世界上第一个3D打印建筑组件，该建筑的长宽均为10英尺(约3米)，高8英尺(约2.44米)。该建筑由585个联锁组件构成，共耗时10800个小时进行3D打印，最后拼装花费了4天。所有组件都采用聚乳酸这种生物塑料制成，可以随着时间分解，制造出无数个微型栖息地。

图2-2世界上第一个3D打印建筑组件

2014年，荷兰阿姆斯特丹在一条运河旁建造一座3D打印房屋，由荷兰DUS建筑师事务所设计，共有13个房间。该建筑的最终形态将类似传统的荷兰运河房屋，因此将其命名为“运河屋”(Canal House)。先由约3.5米高的特大型3D打印机逐层打印熔塑层，凝固后形成塑料块，最后由工人搭建完成。目前，“运河屋”已经在阿姆斯特丹北部地区动工，预计2017年竣工。

图2-3阿姆斯特丹“运河屋”

2016年，德国Dresden工业大学凭借其极具应用前景的混凝土3D打印技术ConPrint3D获得了2016德国工程机械展的创新奖。运用该技术建造一栋普通民居仅需10小时，而传统施工方法需要6天。
2017年，旧金山Apis Cor房屋建筑初创公司与俄罗斯房屋建筑公司PIK Group合作修建了一座房屋，只用了一天的时间和10134美元的建筑材料。其秘诀就是一台3D打印机器人。

图2-4 Apis Cor建造的3D打印建筑

2017年3月，基础建设技术公司－Cazza宣布将在迪拜建造世界上第一幢3D打印的摩天大楼。而在此前，迪拜在3D打印建筑领域已经先后打印了未来博物馆、办公楼等一系列建筑。

2017年5月，乌克兰的创业公司PassivDom也开发出一种3D打印的智能房屋。小屋基于模块化原则，可以允许许多单元组装在一起，以建造一个更大的建筑。这款3D打印小屋可以在任何环境中建造，让用户可以随心所欲地住在大自然中，过上可持续发展和零碳排放的生活。

图2-5 PassivDom建造的3D打印建筑

未完待续

作者： 邱国锋
来源：中天施工技术