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建筑中的金属三维打印：方法、研究、应用、机遇与挑战
摘要
3D打印，也称为增材制造（AM），它具有革新建筑业的潜力，可以预见将带来包括更高的结构效率，减少的材料消耗和浪费，简化和加快设计，建造过程，增强的定制，更大的架构自由度以及更高的现场准确性和安全性的好处。与传统的建筑产品制造方法不同，金属3D打印提供了通过受控的加热和冷却以及热诱导的预应力来创建非棱柱形截面，内部加强，开口，功能渐变元素，可变的微结构和机械性能的机会。增材制造为建筑业提供了许多机会，但也将面临新的挑战和要求，例如需要更多精通数字技术的工程师，对高级计算分析的更多使用以及对结构的设计和验证的新思考方式，更多地强调检查和载荷测试。可以预见，增材制造将补充而不是取代传统的生产工艺，具有混合动力解决方案以及结构加固和修理的明显潜力。本文将探讨这些机遇和挑战，作为对金属3D打印的不同方法，增材制造在建筑行业中的研究和早期应用的更广泛评论的一部分。还介绍了通过使用其他材料和其他行业进行增材制造在建筑中进行金属3D打印的经验教训。在结构的设计和验证中更多地使用高级计算分析和新的思维方式，更多地强调检查和载荷测试。可以预见，增材制造将补充而不是取代传统的生产工艺，具有混合动力解决方案以及结构加固和修理的明显潜力。本文将探讨这些机遇和挑战，作为对金属3D打印的不同方法，增材制造在建筑行业中的研究和早期应用的更广泛评论的一部分。还介绍了通过使用其他材料和其他行业进行增材制造在建筑中进行金属3D打印的经验教训。在结构的设计和验证中更多地使用高级计算分析和新的思维方式，更多地强调检查和载荷测试。可以预见，增材制造将补充而不是取代传统的生产工艺，具有混合动力解决方案以及结构加固和修理的明显潜力。本文将探讨这些机遇和挑战，作为对金属3D打印的不同方法，增材制造在建筑行业中的研究和早期应用的更广泛评论的一部分。还介绍了通过使用其他材料和其他行业进行增材制造在建筑中进行金属3D打印的经验教训。更加注重检查和负载测试。可以预见，增材制造将补充而不是取代传统的生产工艺，具有混合动力解决方案以及结构加固和修理的明显潜力。本文将探讨这些机遇和挑战，作为对金属3D打印的不同方法，增材制造在建筑行业中的研究和早期应用的更广泛评论的一部分。还介绍了通过使用其他材料和其他行业进行增材制造在建筑中进行金属3D打印的经验教训。更加注重检查和负载测试。可以预见，增材制造将补充而不是取代传统的生产工艺，具有混合动力解决方案以及结构加固和修理的明显潜力。本文将探讨这些机遇和挑战，作为对金属3D打印的不同方法，增材制造在建筑行业中的研究和早期应用的更广泛评论的一部分。还介绍了通过使用其他材料和其他行业进行增材制造在建筑中进行金属3D打印的经验教训。本文将探讨这些机遇和挑战，作为对金属3D打印的不同方法，增材制造在建筑行业中的研究和早期应用的更广泛评论的一部分。还介绍了通过使用其他材料和其他行业进行增材制造在建筑中进行金属3D打印的经验教训。本文将探讨这些机遇和挑战，作为对金属3D打印的不同方法，增材制造在建筑行业中的研究和早期应用的更广泛评论的一部分。还介绍了通过使用其他材料和其他行业进行增材制造在建筑中进行金属3D打印的经验教训。
关键词：3D打印;添加剂;制造;应用;金属;聚合物；研究;评论;不锈钢;结构工程
1引言
3D打印或称增材制造（AM）已在航空航天和生物医学行业中受到青睐，现在正被探索为建筑领域的可行制造方法。金属结构部分和连接节点已经建立，并且人行天桥目前正在建造中。与常规制造方法相比，AM具有许多优势，例如更高的结构效率，几何自由度，定制化程度和减少的材料使用量，以及功能梯度材料和预应力以及修复和加固机会的潜力。业界的思维方式将需要迎接数字革命，并从生产设计到功能设计，以及对具有较高计算机素养的工程师的相应要求，
人们普遍认为，在技术，创新和生产率水平上，建筑落后于航空航天和汽车工业[1]。许多建筑项目仍主要使用传统方法和工作惯例，例如二维图纸，手工控制混凝土的放置，模板和临时结构的使用，手动放置钢筋和找平以及临时劳动力，从而导致损失项目完成时的知识和更大的事故风险[2]。建筑方面的主要进步是向3D CAD和建筑信息模型（BIM）以及异地制造的转变，尽管这实际上使传统技术脱离了建筑工地。
传统的制造技术要么是减法的，即减少物体内材料的数量（例如加工金属块），要么是形成性的，其中保留了所用材料的数量，例如成形（例如，热轧或冷成型） ）或使用模具[3]进行浇铸。增材制造会增加制造过程中的组件质量，通常会通过自动化过程从3D模型数据逐层构建对象。增材制造的概念可以追溯到1860年代的照片雕塑，其中由一系列的二维照片制作了三维雕塑[4]。1960年代和1970年代的大量研究工作导致了聚合物的光聚合，陶瓷，金属和聚合物的粉末床熔融的发展，以及陶瓷，金属，纸张，聚合物和木材的层压板。立体光刻技术是一种光聚合技术，其中紫外线敏感的液态聚合物使用激光进行固化，是1980年代后期商业化的第一种增材制造技术[3]。
增材制造（AM）的快速发展为该领域带来了许多不同的名称，包括3D打印（3DP），增材制造（AF），增材制造（ALM），快速铸造，快速制造（RM），快速原型制作（RP），快速加工和无固体成形（SFF）[3,5]。在ISO / ASTM 52900 [6]中已经进行了术语标准化的尝试，其中通用术语“增材制造”已用于由3D模型和材料制造零件的所有过程，并且确定了七个关键技术组：粘合剂喷射，定向能量沉积，材料挤出，材料喷射，粉末床熔融，薄板层压和大桶聚合，涵盖陶瓷，复合材料，金属材料和聚合物。这些方法大致都遵循相同的工作流程：首先，创建3D CAD模型；然后将其切成一系列建筑物层；然后将这些信息发送到处理机，以定义建筑物头部的位置；最后，零件是逐层构建的。如今，各种各样的材料可用于增材制造过程，包括陶瓷，化学制品，复合材料，混凝土，食品，金属材料（包括铝，钴铬合金，铜，金，铁合金（包括不锈钢），镁，镍基合金，钛和钨），纸张，塑料，砂岩，硅树脂，蜡和木材[4,7–16]。
金属增材制造目前用于生物医学和航空航天工业中，以生产高价值的最终用途零件，这些零件高度定制或少量生产[3,17]。2014年，整个AM市场规模估计超过40亿美元，最终用途零件市场为17亿美元，预计到2020年将增长到210亿美元以上[3]。除了传统的高附加值行业外，建筑行业也开始探索增材制造，以建造混凝土桥梁，房屋和办公室[18,19]，塑料房屋[20]以及金属连接节点和桥梁[21,22]。快速的城市化，气候变化和资源匮乏导致建筑行业承受越来越大的压力，从而导致人们需要更高效的建筑技术。据估计，全球建筑成本降低1％，每年可节省1000亿美元[23]。英国政府设定了以下目标：到2025年，将建筑的初期和整个生命成本降低33％，从开始到完成建设项目的时间减少一半，并从建筑环境中减少一半的温室气体排放[ 24]。建筑师同时在形状和形式上不断突破[25]。施工中的增材制造仍处于实验阶段[26]，但是这些新的成型方法具有巨大的潜力来建造结构部件，甚至整个结构，具有几何自由度，工程材料特性，减少的材料使用量，减少的建筑浪费，缩短的建造时间并降低了运输成本。英国政府设定了以下目标：到2025年，将建筑的初期和整个生命成本降低33％，从开始到完成建设项目的时间减少一半，并从建筑环境中减少一半的温室气体排放[ 24]。建筑师同时在形状和形式上不断突破[25]。施工中的增材制造仍处于实验阶段[26]，但是这些新的成型方法具有巨大的潜力来建造结构部件，甚至整个结构，具有几何自由度，工程材料特性，减少的材料使用量，减少的建筑浪费，缩短的建造时间并降低了运输成本。英国政府设定了以下目标：到2025年，将建筑的初期和整个生命成本降低33％，从开始到完成建设项目的时间减少一半，并从建筑环境中减少一半的温室气体排放[ 24]。建筑师同时在形状和形式上不断突破[25]。施工中的增材制造仍处于实验阶段[26]，但是这些新的成型方法具有巨大的潜力来建造结构部件，甚至整个结构，具有几何自由度，工程材料特性，减少的材料使用量，减少的建筑浪费，缩短的建造时间并降低了运输成本。从开始到完成建设项目的时间减少一半，到2025年建筑环境产生的温室气体排放减少一半[24]。建筑师同时在形状和形式上不断突破[25]。施工中的增材制造仍处于实验阶段[26]，但是这些新的成型方法具有巨大的潜力来建造结构部件，甚至整个结构，具有几何自由度，工程材料特性，减少的材料使用量，减少的建筑浪费，缩短的建造时间并降低了运输成本。从开始到完成建设项目的时间减少一半，到2025年建筑环境产生的温室气体排放减少一半[24]。建筑师同时在形状和形式上不断突破[25]。施工中的增材制造仍处于实验阶段[26]，但是这些新的成型方法具有巨大的潜力来建造结构部件，甚至整个结构，具有几何自由度，工程材料特性，减少的材料使用量，减少的建筑浪费，缩短的建造时间并降低了运输成本。
第2节介绍了现有的建筑增材制造项目，其中涉及混凝土，聚合物和金属增材制造项目。在本文的第3节中，描述了各种金属增材制造技术，并讨论了其在建筑中的适用性。第4节中 概述了先前的金属增材制造研究。第5节中介绍了在其他学科中使用金属增材制造所获得的经验教训，最后，展望未来，金属业面临的机遇和挑战第6节讨论了建筑行业的增材制造。
2建筑增材制造
2.1引言
本节介绍了建筑领域中早期混凝土，聚合物和金属增材制造的应用。重点介绍了经验教训和将来进行金属3D构造的机会。应该注意的是，出于商业原因，通常不共享这些项目的全部细节，例如哪些成分已通过增材制造和材料组成[27]。
砌体结构已被描述为增材制造的原始形式，其结构是逐层构建的[28]。自2000年代初以来，建筑公司一直在使用“现代AM”技术进行模型制作，从而节省了大量时间和成本，并且有关模型制作过程的报告从数月缩短为数小时，并且成本降低了50倍[17,29] 。然而，增材制造在设计和建造过程中仍然不那么普遍，尽管现在它已成为各种研究和“光环建设项目”的主题。自2012年以来，公开的增材制造项目数量急剧增加[27]。
2.2具体印刷
混凝土是建筑中使用最广泛的材料，其原材料价格低廉，并且在全球范围内都可购得。传统的混凝土技术倾向于使用简单，可重复的模板以降低成本[25]。脚手架和模具可占混凝土建筑成本的一半；因此，由于这些新技术为节省大量成本提供了许多机会，因此混凝土增材制造技术得到了高度发展[27]。与金属或聚合物印刷相比，混凝土AM在建筑领域得到了更广泛的发展。迄今为止，已经使用混凝土增材制造技术建造了住宅和办公楼以及多座人行天桥。本文介绍了这些项目，并概述了有关金属3D打印的经验教训。
2.2.1 Winsun房屋和办公室
2005年，一家由中国先进材料供应商转变为建筑公司的Winsun，首先开始探索增材制造，到2013年，建造了第一座增材制造的住宅。接下来是2016年的第一个增材制造办公室（如图1所示），该办公室在中国建造，然后运往迪拜，据估计，其建筑成本降低了80％，人工成本降低了60％，生产成本减少了60％比可比的常规办公大楼要浪费[18]。Winsun在工厂中使用水泥，沙子，增强玻璃纤维和专有的添加剂混合物，以150times;10times;6.6 m的机器[1]来建造墙壁，然后在传统地基上通过额外的钢或水泥结构增强件现场组装组件。印刷元素也与传统的梁和柱结合在一起。2的房子，花了一天打造其工厂和两天三名工人组装现场，与提前放置的内部结构。他们的方法的优点包括能够从建筑废料中获取多达一半的原材料，更容易结合绝缘材料，管道和布线以及无尘现场施工过程。
由于缺乏建筑师，设计师和开发商对增材制造优势的认识，因此有必要建造原型结构来证明这种新制造技术的可行性。该公司还在探索印刷模板，并使用移动打印机制造高层建筑（gt; 100 m）。到2016年，Winsun已售出100多套房屋，其中标准房屋的价格约为30000美元
2.2.2 卡斯蒂利亚-拉曼恰3D桥
卡斯蒂利亚-拉曼恰3D桥被描述为第一座3D打印桥。它是西班牙马德里附近的卡斯蒂利亚-拉曼恰城市公园中的一座12 m，1.75 m宽的人行天桥。这座桥如图2所示，于2016年完工，由八个部分组成，每个部分的 最大水平尺寸为2times;2 m [31]。这座桥是由巴塞罗那的研究和教育中心加泰罗尼亚高级建筑学院使用融合的混凝土粉末和聚丙烯加固材料制成的[19]，耗时两个月。建筑过程中未使用的原材料被回收，设计过程中使用生成算法优化材料分布[32]，这是与增材制造相关的主要优势。
2.2.3 Gemert自行车桥
BAM基础设施与TU Eindhoven合作在荷兰Gemert修建了一座长8 m，宽3.5 m的混凝土自行车桥，这被称为第一座3D打印预应力混凝土桥。在混凝土印刷过程中，通过增材制造的喷嘴铺设1厘米的混凝土层，使混凝土能够在沉积后保持其形状而无需额外的模板[33]。这座桥是分部分建造的，然后在现场连接在一起。构建并测试了结构的比例模型[34]，图3所示的成品桥于2017年底开放[35]。
2.2.4 FreeFAB
Laing ORourke已经开发了一种名为FreeFAB的替代性混凝土增材制造工艺，该工艺先印刷模具，然后使用常规技术施加混凝土。模具是用蜡制成的，如图4所示，可以在混凝土硬化并重新使用蜡后将其除去。构建体积为30times;3.5times;1.5 m，可容纳大型模具，具有复杂的几何形状，需要3个小时才能完成。生产，而不是使用木材或聚苯乙烯的八天。该技术已被用于迪拜和中国的展示厅和办公室，目前已在英国伦敦的Crossrail项目中用于双弯曲墙板[36]。
2.2.5 讨论
所述的具体印刷项目突出了建筑中金属增材制造的几个重要因素。所有这些项目均使用异地制造，而Winsun迪拜办事处则在不同的
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