建筑3D打印综述：从结构到工艺，从技术到经济|3d打印|智能化|材料

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AM易道导语：

先看一则3D打印新闻：弗吉尼亚理工大学获得了110万美元的研究经费，将利用印度Tvasta公司的SIRA RC20机器人臂式3D打印机，在未来两年内建造10座“经济适用房”（美国版平价公寓）。

根据弗吉尼亚理工大学称，这个项目旨在解决美国该州超过20万套保障性住房短缺的问题。

这一消息体现了3D打印建筑技术在解决社会住房问题上的潜力，尤其对于人力成本高、建筑效率低的部分西方国家来说。

本文当然不是为了吐槽这个2年盖10房的美式效率。

在这样的背景下，AM易道好久没聊建筑3D打印，刚好想通过来自乌克兰哈尔科夫理工学院和尼古拉耶夫国立农业大学近期在期刊《Cutting & Tools in Technological System》发表的一篇综述文章（doi:10.20998/2078-7405.2024.101.10），再来看看建筑3D打印这个话题。

这项综述不仅系统梳理了建筑3D打印技术的发展现状，更深入分析了其在技术、经济和管理等多个维度的创新突破。

研究表明，这项技术能将建造时间缩短2-6倍，成本降低20-35%，同时还能显著提升建筑结构的承载能力。

四大主流3D打印建筑设备的角逐

在建筑3D打印设备的发展历程中，各种技术路线的演进如同一场精彩的交响乐，每种设备类型都在自己的技术轨道上不断突破创新。让我们深入理解这场技术变革背后的核心突破。

第一类是门式结构设备。

以最新一代的设备为例，其采用了基于笛卡尔坐标系的高精度运动控制系统。

在门式结构3D打印设备中，固定框架类型和可移动立柱式是两个主要的技术路线。

在门式固定框架类型中，通过X、Y、Z三轴的协同运动，可实现±0.5毫米定位精度。

丹麦COBOD公司的BOD-2系统是最具代表性的产品。

而在门式可移动立柱式设计中，工程师们通过创新性的结构设计，解决了大型建筑打印的技术难题。

中国盈创（WinSun）的大型打印设备是一个典型代表。

纵向梁和横向梁的智能协同控制系统，使得打印范围得到了极大扩展，同时还保持了较高的打印精度。

这种设计的独特之处在于，它能够根据建筑结构的特点，灵活调整支撑系统的布置，从而在保证精度的同时提高施工效率。

第二类是机器人型设备，这类设备基于多轴工业机器人技术开发。

最新一代的建筑打印机器人配备了6-7个自由度的运动系统，这种设计不仅突破了传统门式结构的空间限制，更重要的是能够实现复杂空间轨迹的精确控制。

通过先进的运动学算法，机器人可以在任意空间位置实现精确的材料沉积，这为建筑造型的创新提供了无限可能。

为了确保打印轨迹的连续性和平滑性，实时轨迹规划算法很重要。这套算法不仅要考虑空间位置的精确控制，还要兼顾材料挤出的连续性，以及层间结合的可靠性。

在实际应用中，先进的建筑系统能够根据材料特性和环境条件，自动调整打印参数，确保最佳的打印效果。

第三类是移动式3D打印设备，这种设计允许设备自主移动并适应各种地形条件。

这类设备特别适合快速建造临时性建筑，在灾后重建等场景中具有独特优势。

以Apis Cor的设备为例，其8.5米的工作半径和灵活的移动能力，使其成为这一领域的代表作。

第四类是混合系统，这种设计结合了不同类型设备的优势，提供了更灵活的建造方案。

这类系统能够根据具体项目需求，调整施工策略，实现最优的建造效果。

建筑3D打印的工艺参数控制：精确把控建筑品质的关键

这一部分内容较为枯燥，适合实际从业建筑3D打印的读者参阅。

在建筑3D打印领域，工艺参数的精确控制直接决定着最终建筑的质量和性能。

这些参数之间存在着复杂的相互关系，需要我们从整体视角来理解和把控。

打印速度（V）是整个工艺系统的核心参数。

通过大量的工程实践，研究人员发现50-150mm/s的速度范围最能保证打印质量的稳定性。

当速度低于30mm/s时，材料会出现提前凝固的问题，影响层间结合强度；而当速度超过150mm/s时，则可能导致材料沉积不均匀，影响表面质量。

值得注意的是，即使有制造商声称其设备可以达到1000mm/s甚至2000mm/s的最高速度，但在实际工程应用中，这种高速往往只能在特定条件下短时使用。

影响打印速度选择的因素包括混凝土的粘度特性、水泥的凝结时间、材料的供应压力、喷嘴的直径设计以及环境温度等多个方面。这些因素之间的相互作用，构成了一个复杂的参数平衡体系。

层参数控制是另一个技术难点。

在层厚度（h）方面，8-50mm被认为是最佳范围，其中垂直墙体通常采用15-20mm的层厚。

这个参数的选择需要同时考虑结构强度和施工效率两个方面。

层厚过小会显著增加施工时间，而过大则可能影响层间结合质量。

层宽度的控制同样关键，推荐范围是20-60mm。

特别重要的是要确保层宽度与层厚度的比值维持在2.5-4.0之间。

这个比值的确定源于大量的工程实践，它直接关系到打印结构的稳定性和整体尺寸精度。

在特殊情况下，层宽度可以达到300mm，但这需要配套的喷嘴设计和压力控制系统的支持。

表面倾角（αc）的控制体现了3D打印建筑的技术难度。

在无支撑条件下，75°-90°是可实现的倾斜角度范围，其中垂直墙体（αc=90°）能够提供最佳的结构稳定性。

这个角度范围的确定需要考虑多个因素：层厚度会影响堆叠稳定性，材料凝结速度决定了承载能力的发展，而结构高度则关系到整体稳定性。

此外，温度条件和混合料配比也会对可实现的倾角范围产生显著影响。

在施工过程控制方面，层间施工间隔（tmin_l）的把控尤为重要。最佳间隔时间通常在1-10分钟之间，这个时间需要根据具体情况动态调整。

比如，在温度较高的环境下，可能需要缩短间隔时间以确保良好的层间结合；而在寒冷环境中，则可能需要适当延长间隔时间，给予材料足够的强度发展时间。

【AM易道整理综述内核心工艺参数对比表】

参数类别

最佳范围

极限范围

关键影响因素

打印速度

50-150mm/s

最高1000mm/s

混合料配比、环境温度

层厚度

15-20mm

8-50mm

材料流变性、喷嘴设计

层宽度

20-60mm

最大300mm

供料压力、表面倾角

倾斜角度

90°(最优)

75°-90°

结构高度、材料强度

施工间隔

1-10分钟

因环境而异

温度、湿度、风力

建筑3D打印设备的技术能力比较分析

当我们深入分析全球领先制造商的技术创新时，每家企业都展现出独特的技术路线和解决方案。

这些创新不仅体现在设备性能上，更反映了他们对建筑3D打印技术未来发展的深刻理解。

美国ICON公司的技术突破令人瞩目。

其Vulcan系统将打印速度提升至2000mm/s，这个数据的背后是一系列创新性的技术突破。为了实现如此高的打印速度，ICON开发了独特的材料供给系统和喷头设计。

更值得关注的是，该系统能在2-43℃的极端温度和20-95%的湿度范围内稳定运行。这种全天候作业能力源于其创新的温度补偿系统和材料性能调节技术。

丹麦COBOD International的BOD2系统则走出了一条不同的发展路径。

该系统虽然将打印速度限制在了相对保守的1000mm/s范围内，但通过模块化设计实现了超强的扩展性。

系统能在5-40℃温度、30-85%湿度的环境条件下稳定工作，这种适应性来自于其全方位的环境监测和自动调节系统。

BOD2系统在材料兼容性方面的创新，不仅能处理传统的水泥基材料，还支持多种新型环保建材的应用。

前文提到的Apis Cor公司的移动式打印系统带来了另一种技术思路。通过创新的机械设计，实现了8.5米的有效工作半径，这在移动式设备中是一个突破性的成果。

系统的曲面打印能力源于其独特的五轴运动控制系统，配合精密的实时位置反馈，确保了复杂造型的精确成型。

在极限环境应对方面，各家企业都展现出了独特的创新能力。

在材料技术层面，通过开发快速凝固添加剂和粘度调节剂，解决了低温环境下的施工难题。

输送系统方面的创新同样引人注目，通过智能的热量调节和水分控制，确保了材料性能的稳定性。

这些技术创新使得3D打印建筑在更广泛的气候条件下成为可能。

打印头技术的创新是另一个重要突破。

温度稳定系统的应用有效解决了材料凝固问题，而防磨损设计和智能清洁系统则显著延长了设备的使用寿命。

控制系统的创新最核心的应该是热变形补偿和振动校正技术的应用，确保了打印精度的稳定性。

中国盈创（WinSun）公司则在大型项目系统领域取得突破。通过开发专门的大尺度打印设备，成功实现了多层建筑的打印。

其材料回收利用技术也代表了行业的一个重要发展方向，为建筑3D打印的可持续发展提供了新思路。

【AM易道整理综述内四品牌建筑3D打印环境适应性参数对比表】

设备制造商

温度范围

湿度范围

特殊环境应对措施

ICON

2℃~43℃

20%~95%

全温域补偿系统

COBOD

5℃~40℃

30%~85%

模块化环境调节

Apis Cor

0℃~35℃

25%~90%

移动式保护罩系统

WinSun

-5℃~40℃

20%~85%

全封闭打印环境

质量控制：3D打印建筑的精益求精

建筑质量关乎生命安全，在3D打印建筑领域，一套更为严格的质量控制体系正在形成。

这套体系不仅继承了传统建筑的质量标准，更融入了3D打印技术特有的质量控制要素。

让我们首先通过一组系统化的数据来理解当前行业的质量控制标准：

【AM易道整理综述内3D打印建筑几何精度控制标准】

控制项目

允许偏差范围

测量方法

应用场景

墙体垂直度

H/200

激光测距

承重墙、隔墙

水平度

L/300

水平仪、全站仪

楼板、基础

墙厚均匀性

±5~10mm

超声波检测

所有墙体

直线度

10~12mm/2m

拉线、激光测距

长墙段

整体弯曲

≤20mm

3D扫描

整体结构

转角精度

5~7mm

角度仪、全站仪

墙体转角处

在结构性能方面，通过对混凝土强度的精确控制，实现了20-40MPa的抗压强度，这一数值完全满足住宅建筑的承重要求。

特别值得关注的是层间结合强度的控制，这是传统建筑所没有的质量控制指标。

在实际施工过程中，以层间结合为例，工程师们发展出了一套完整的控制方法。通过实时监测每一层的打印参数，包括出料速度、打印速度和层间间隔时间，确保层间结合强度达到设计要求。一旦发现异常，智能控制系统会立即进行参数调整，必要时甚至会暂停打印进行处理。

材料均匀性的控制也是一个技术创新点。传统的混凝土浇筑难以避免的气泡和密实度不均问题，在3D打印建筑中得到了很好的解决。

通过精确控制材料的流变性能和打印参数，确保了材料的密实度达到97%以上，这不仅提高了结构强度，也改善了建筑的耐久性。

【AM易道整理综述内3D打印建筑结构性能控制指标】

性能指标

控制要求

检测周期

关键影响因素

混凝土强度

20-40MPa

7d、28d

配合比、养护条件

层间结合强度

≥1.5-2MPa

施工过程

打印间隔、环境温度

材料密度

≥97%

实时监测

振实度、气泡含量

增强材料分布

均匀无集中

打印过程

输送压力、搅拌效果

建筑3D打印的经济效益分析：从数据看价值

让我们通过一个清晰的数据框架来理解3D打印建筑的经济价值。基于100平方米住宅的实际案例比较，这项技术展现出显著的经济优势。

【综述内3D打印建筑施工方式对比表（100㎡住宅）】

《AM易道翻译不同建造技术完成100平方米住宅墙体的指标对比》

建造技术相对指标（墙高3.0米）建设周期
重量(kg/m²) 允许荷载(kN) 每平米用料(m³) 最低成本($/m²) （天）砖石结构墙体(51cm宽) 918 881 0.51 180 25 加气混凝土墙体 450 1500 0.4 150 10-12 3D打印墙体(40cm宽) 370 2457 0.185 115 4 3D打印墙体(60cm宽) 470 2457 0.235 135 5 3D打印钢筋混凝土墙体(50cm宽) 1200 2800-3000 0.5 210 5 现浇钢筋混凝土整体式住宅(模板50cm宽) 1250 2800-3000 0.5 180-230 10-14

从这组数据我们可以看到3D打印建筑的三大核心优势：