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【3D打印高端演讲】杨继全：3D打印在建筑领域的应用
【导读】 6月下旬，世界3d打印大会在青岛举行。南极熊3D打印网也到了现场进行了大量的报道，详情请看南极熊报道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南极熊作为一个3d打印的专业媒体平台，一直致力于推动中国3D打印行业的发展。希望下面的一些内容对大家有所启发。
杨继全：非常抱歉，隔壁有一个节目录制，让各位久等了。我首先介绍一下我们这个团队所做的一些事情。我们这个团队包括一个大学，我是在南京师范大学做一些基础性研究和基础性开发的，我们有一个江苏省的三维打印重点实验室，这个是面向3D打印产业做关键技术研发的。我们还有两个公司、两个工厂，也是做3D打印产品、生产以及销售和服务的。我们还有两个创新中心，一个是南京市的三维打印创新中心，是做成果转化以及技术服务、平台建设的。还有一个协同创新中心，这个3D打印机的协同创新中心是把各个相关的学科资源进行一个整合，面向产业协同进行一些基础性的技术研究和开发工作的。所以总体来说，我们这个团队现在有200号人跟技术相关的。
我今天主要的重点，向各位汇报一下以及讨论一下关于我们其中做的一个方向是建筑打印，建筑打印这一块，我相信各位也不陌生，在这个领域里面其实出现的比较晚，也是最近这两三年左右的时间，之前更多的还都是一些关于其他的小型的桌面式的，或者是工业级的3D打印设备。
我主要向各位共同讨论一下这几个方面，一个就是建筑打印它的一些特点，另外一个建筑打印所涉及到的几个关键核心技术以及我个人认为在3D建筑打印领域的一些发展趋势或者需求。我刚才简单介绍一下我们这个团队主要的情况，我就不再详细介绍了，我们还有一些研究生的工作站，还有几个产品的品牌。
这是我们一个公司其中的研发场所，我们还有一个重点实验室的研发场所，5000个平米。这是我们的两个工厂，生产各种3D打印设备，包括桌面级的小型设备、工业化的设备以及这种大型的设备。这是我们的产业创新中心，里面有各种各样3D打印的设备，以及3D打印的应用成果和案例。右下角的那个图你会看到一个辟邪，那是南京的象征，只进不出，能够有理财的寓意。这个是我们打印的，3.5斤重的辟邪，用打印的方式去复制，表面做旧，跟实物一模一样的东西。
我们也取得了一系列的资质。
在小型设备上面我们做FDM系列和SLA系列的小设备，在市场上已经形成了一定的销量，主要是出口。我们还在彩色3D打印上面，4年以来一直在做彩色打印设备的研发和生产。它可以在玩具以及对动漫有更好的应用。
我们还有一些做UV的，当然它的寿命也比较长，采用的是一种支撑材料和实体材料相结合的方式。我们研发了各种各样成形的材料，为各种成形工艺提供各种各样的支撑。基于前面的研发工作，我们做了一个云制造平台，这个平台一方面是为那些买不起设备的用户提供各种各样设计和制造的服务，另外希望能够把现在的这种已经购买设备的用户，它的设备的效率利用起来。大家知道很多的高校和科研机构买很多很贵重的设备，但是设备的利用率绝大多数情况下都是空的，怎么有效利用这些设备的利用率，为社会，为用户提供更好的服务，这是我们现在做这个云制造平台所要做的一个基础性工作，我们可以把这些闲置的设备，通过我们的云平台联系起来作为我们的下端，作为它的一个网络群。我们要搭建这样的一个网络平台和前期的数据架构，就能够为各种各样的用户提供各种各样的技术支持和服务。
我们在全国建了好几个科技馆，这些都是义务性的，全年是免费的，对青少年进行一个科普。更重要的是我们希望把这些设备的资源通过网络联系起来，面向广大的社会提供各种各样3D打印个性化的服务。
我们在建筑领域里做了一部分工作，这工作还在进行时，还有许多需要完善的地方。我们也认为在建筑领域里它还有很多的挑战，但是它的优势也应该比较明显。首先一个优势，它抗冲击性能和抗震性能比传统的建筑大幅度增强，因为我们知道3D打印它从头到尾变成了一个零件，是混凝土的，相对于传统的这个建筑来讲，它有很多的砖、混凝土、钢筋，不同的材质组成。首先如果我把一个建筑看成一个机器的话，这样的一套机器应该是有几千、上万个零件组成的，任何一个零件的损害都会影响整个机器的一个结构和性能。建筑打印机就不一样，从毛坯上来讲只有一个零件，这一个零件损坏了才会影响整体的性能，建筑打印它整体的性能要比传统的高很多倍，但是怎么实现这样一个力学结构或者抗冲击性能，对于防止实体建筑来讲，从功能要求出发，我们达到这个要求，就是后面我们要通过关键核心技术要解决的问题。3D打印它可以自由成形，在整个结构里面通过节省材料的方式，类似于右下角一样的方式，可以大量的节省材料。我们可以节省20%到30%的建筑材料。
第三个方面，它就可以有更好的保温的性能和环保的性能。还有一个就是对于很多的设计师来讲，怎么去设计出和制造出他想要的一种造型的建筑，当然这个本身就是艺术和功能的结合体。对于现在的这种技术来讲很难做得到。很多的建筑师的梦想是一个造型非常有别致的，让人看过就不会忘记的造型。但是对于施工方来讲，可能是无法承受的，或者是无法施工的。对于3D打印来说，解决这个问题是一个非常容易的事情，因为3D打印解决的重点就是结构的形状的问题。所以如果我们通过建筑打印的这种方式来去实现实体建筑的话，它可以非常有机地很好地结合，把一个工艺或者艺术给一个实体功能相结合的方式。当然，对于建筑来讲我们很关心成本问题，我们经过一段时间的研究和测试，我们发现采用传统的房子跟现在的建筑打印的房子，它的这个成本是接近的，我想扣除这个建筑设备而言，从材料以及施工、工作时间方面来讲，我想它的成本应该是没有明显的改变或者明显的差异化。
左下角这个图就是我们现在正在打印的一栋房子，它是别墅的一部分，它是一个实体的建筑具备的基本功能，就是居住的功能，结构符合我们现在实体对房子要求的功能。我们有一个小的视频，关于建筑打印的工艺流程。
从这个成形工艺上来讲，它是材料、设计、结构、力学、功能完整的一体。
这是一个示意图，也是采用了这种普通的喷头来喷射这种混凝土的形式，一层层实现三维打印的。这个喷头在做的时候有多种，有的采用单喷头，有的采用多喷头，有的采用另外的这种塑料丝，也有石膏粉等等不同的方式，就是根据这个建筑本题所需要的特点去使用的一种工艺方法。
这是我们现在做的那栋房子大致的示意图，两只手捧起一个地球的造型，我们想塑造的概念就是给建筑师一个梦想，只要给他一个工具，一个3D打印的设备，他就可以用自己的双手托起这个地球，改变这个地球。包括这个事，也是我们希望能够尽快打印出来的。但是树的造型，它内部的结构是完全具备结构的特点和实用的特点。
现在3D打印机技术虽然是一个新技术，但是它在继承传统的3D打印机技术以及工艺的基础上也有相应新的要求。在这几个方面，我认为建筑打印它现在面临着几个关键核心技术。第一个关键核心技术就是它的结构和功能的一个设计问题。我相信在座的有很多是做建筑的、做设计出身的，现在市场上还没有针对3D打印的一种设计软件，我们用的更多的是平面设计图做平面的结构设计，施工图，但是在设计的时候根本没有考虑到材料的问题、工艺的问题以及结构、硬力分析方面的问题。怎么去开发基于3D打印这种建筑工艺的设计系统，这是我想可以跟在座共同探讨的问题。
第二个，在建筑打印的领域里，它的这种房子结构往往是非常复杂的，需要的数据量非常庞大，怎么解决大数据量的数据处理？我想对于做机械产品设计的或者做传统的3D打印设备的这种工程师来讲，它有一个很深刻的体会，就是当模型的结构程度非常复杂的时候，它的数据量非常庞大，你处理起来的话花大量的时间，甚至系统很难解决，更不要说房子，远远比我们现在看到的小模型，十几公分、几十公分模型的结构和数据量大得多，所以如何能够有效地解决这种大数据量的模型的设计和工作量，这是一个非常大的挑战。我们现在加工的左下角这个别墅，它的这个数据量是几百兆、上G的数据，普通的计算机很难承受得了，而且在运算模拟的时候，在仿真的时候，在进行运力分析的时候往往会遇到很多的问题，这都不是短期内靠我们一家或者某一个工程师能解决的问题，这是一个行业性的问题。
另外这个建筑模型在分析和优化方面，我想现在也是一个空白，我们知道现在的建筑打印它的这个模型能不能实用化，是取决于它的性能，满足不满足这种实用的需求，你怎么能够在打印之前就考虑到？
我们在这方面做了一部分工作，我们认为未来的建筑不是单一材料的，是多种材料组成的东西。所以我们认为未来建筑的设计领域里头就应该考虑到多种材料，它有钢筋，有混凝土，还有管道、电路，这里面各种材质的分布跟建筑是有机的整体，我们可以把它看作系统，由多种有机的材料完美的整合在一起的。你对它的一种建模和设计，我想这是非常大的挑战。我们在这个领域里面可以借鉴机械工程方面方面的建模，这个方面我们做了很多的研究，也积累了大量研究的成果和软件的设计，我想它们本身是相通的。
在3D打印建筑里面它是有机的整体，不像传统的制造里面结构往往是分离的，而是有机的整体，所以如何能够建立这种材料空间和结构空间有机的对应，我想这是在我们设计领域里面要克服的问题。这是我们做的一部分的探索，我们希望能够基于现在传统的3D设计软件支持现在建筑打印的模型，从单色到多色，从单材质到多材质的建模的过程，以及从这种最原始的平面的设计和工程的计算，到工程的自动化的这样的结构分析，我想这也是我们在做的一部分工作。
第二个关键技术是关于3D打印技术的装备和研究的开发。大家都知道现在3D打印的设备往往都是小设备，它不足以去实现大工程的建筑物的设计和生产，或者是相应工艺的处理，必须要开发出专用的工艺设备。它其实就是一种大型的数控机床，它的这种设计、制造及其工艺，其实对于业界里面是很大的挑战。我们现在做的设备最大可以20米，就像这样的大厅一样，这对工程机械的工程师和设计师来讲是非常大的挑战，如何进行结构和加工，这东西都是在业界提出来新的问题。当然还牵扯到一些工艺的问题，是用这种粉末铺平连接的形式，还是用类似FDM，用塑料丝、混凝土喷射的方式，我想这两种方式在业界里面都有一定的应用。左边这个它是用3DP的方式，右边那种它是用混凝土，是用喷头来喷射的方式。它这两种方式各有优缺点。当然还有其他混合的工艺，像刚才说到多材质、多材料的方式，它的结构比这个复杂的多。我们有另外的设备能够支持多材料的方式。
第三个方面遇到的问题就是关于3D打印建筑、设备还有成形积累的研究，一个就是解决悬臂的问题，比如对于我们现在右边设计的建筑来说，它的穹顶相当于是一个悬臂的东西，相当于没有支撑，对于这种如果采用刚才看到的类型于FDM的方式来说，它的这种支撑没有办法添加或者很难添加的，这种悬臂的问题现在行业里很难解决，你很难在市场和报道上看到用混凝土的方式做悬挑或者直接做天花板的，垂直横平竖直的结构，所以这个是在行业内要考虑的问题。
第二个就是它本身固化性能的问题。在传统的性能里面，混凝土大家都很清楚，今天浇灌，到明天，24小时甚至更长的时间让它去固化。3D打印里面不允许，几秒钟一定要让它固化，从喷出到初凝状态以及到完全固化状态是需要经过时间的，这样一个时间它的利用率有没有，会不会影响你的使用，这都是要研究的问题。
下面一个就是系统的集成问题，它包含了很多问题，材料、工艺、检测、安全问题，因为是一个施工，它必须有大量安全的问题。怎么能够把这个建筑装备去设计和加工出来，还有一些标准的问题。
我想对于建筑打印，还有另外一个关键问题需要解决，就是材料本身的问题。我们都知道它是每一层每一层叠加的，层层之间承接怎么样，这是一个急需要解决的问题。右上角是我们做的微观的分析。
第四个方面我要简单的给各位探讨一下，关于3D打印建筑发展趋势的问题。我想趋势首先是柔性化的问题，这样一个打印能适应于不同的形态，包括大的城市雕塑，室内的装饰品，怎么能适应不同的结构形态，首先是整个过程要自动化，还有就是你结构要做的模块化，这是大致的一个模块化的结构形态。另外就是实用性，如果仅仅这样还远远不能进入产业的状态，它可能不是一个很有用的东西，一定要解决实用性的问题。我们也打印了相应的雕塑，但是这个雕塑离实用还有一定的距离，希望共同探讨。
第三个方面就是人文的问题，建筑打印它是个性化的东西，不是解决高楼大厦的问题，解决的是个性化的私人定制的一些问题。什么时候我们可以做到Hobbits的屋子，是一个景观而不是雕塑，这是一个人文建筑，这是一个目标。
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