3D打印混凝土–終極指南
魔猴君 知識堂 318天前
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材料更快，但建筑行業要求能夠使用現有的廉價材料進行3D打印。
如今，越來越多的3D建筑公司正在開發自己的水泥基砂漿，這種砂漿使用當地的集料、現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打印并不遵循傳統的砌磚工藝。相反，"分層建筑"已成為建筑行業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，建筑工地也在發生變化。越來越多的結構模塊不再完全在現場施工，而是在工業化和自動化條件下預制并在現場組裝，從而節省了時間和金錢，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。
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點，以及它與傳統建筑技術相比有哪些優勢。
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。
無論打印機的配置如何，幾乎所有的打印機都能連續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、當地天然材料（包括月球巖石和火星塵埃）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地材料、廢料和回收材料建造更可持續的建筑提供了新的機遇。
傳統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，可根據特定用途進行配制，例如打印房屋墻壁或創建裝飾性建筑元素。
所有3D打印材料都必須具有可擠出性和形狀保持性。大多數建筑3D打印機制造商都會創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建筑公司使用當地材料開發了自己的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干混3D打印砂漿，但我們也堅持使用當地現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，如當地的泥土和粘土。當地材料可以降低成本，使3D打印混凝土比傳統混凝土便宜得多，尤其是在發展中國家。
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保賣點。
四、3D打印混凝土的優點
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建筑設計方法的創新，用于建筑的3D混凝土打印技術發展迅速。但這是為什么呢？與傳統建筑方法相比，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。然而，它還沒有達到這個水平。目前還沒有證據表明，已建成的房屋和建筑的成本大大低于傳統制造成本。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，大多數是多棟房屋開發項目或整個社區，這表明隨著數量的增加，該技術的成本和速度可能會使傳統建筑方法黯然失色。
德國歐洲首座3D打印多層公寓樓采用COBOD 3D打印機打印（來源：COBOD）
據最新估計，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的。
越過沙袋；美國海軍陸戰隊在不到兩天的時間里用混凝土3D打印了一個營房（來源：海軍陸戰隊時報）
然而，3D混凝土打印行業在得到廣泛應用之前還面臨著必須克服的挑戰。這些挑戰包括
初始投資成本高（打印機和相關技術）
打印尺寸的限制（主要是垂直打印）
材料選擇有限
操作和維護打印機需要大量專業技術知識
打印元件的表面處理可能不美觀
建筑法規障礙
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。據該國總理兼統治者謝赫-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建筑比傳統建筑節省了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。現在，這個新的有前途的經濟區已經有了一家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%的當地原材料和COBOD與材料制造商Cemex合作開發的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，以開發其月球建筑技術，該技術將使用激光系統融化月球土壤，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。椅子采用可持續打印技術，以回收玻璃為基材，3D打印為一體，具有結構穩定性和連續光滑的表面。這種創新方法制造出的椅子重量輕、非常耐用，適合在各種環境中長期使用。
Roche Bobois提供由Antoine Fritsch和Vivien Durisotti設計的3D打印混凝土基桌，可完全定制
（來源：RocheBobois）
編譯整理：ALL3DP
