3D打印技术的发展和在（zài）模（mó）型中应用—北京（jīng）维克（kè）模型
随（suí）着科技水平的（de）不断发展和进步，一种新型的计算机图形分析和数据化控（kòng）制制造技术——3D打印技术应运（yùn）而生，它是近年来发展起来的一种新兴技术，已在机械（xiè）、制造、医疗等行业有所发展，而在建筑行业的应用更是（shì）有（yǒu）着广泛（fàn）的作用，为建筑师（shī）设计和建造动态、复杂的形式提供了强大的（de）技术手（shǒu）段，对建（jiàn）筑 业设计产（chǎn）生颠覆性影响。本文结合3D打印技术的国内外研究现状及发展趋势、在建筑设计模型应用中的优劣势，以及如何（hé）应（yīng）用（yòng）等问（wèn）题展开研究讨论，以其促进3D打印技术在（zài）建筑设计模型方面的真正实践和运用。
3D打印即快速形成技术的一种，它是一种以数字模（mó）型文件为基础的（de），可以运用多种材料，例如粉末状金属或者（zhě）塑料或者水泥（ní）等可粘合材料，利（lì）用通层打印方法来构造物体的技术（shù）。
1986年（nián），美国加州的工程师查克?赫尔研制出第一台3D打印机（jī），3D打印带来许多行（háng）业的革命性改变，并影响到建筑业。在以前生产的部件，其精度取决于生产设备是否先进、以及现在生产（chǎn）工艺能够实现。3D打印机（jī）将（jiāng）改变（biàn）这一观（guān）点，使企业不（bú）在依赖生（shēng）产设备（bèi）、工艺的水平，任何精度的零（líng）件、形状都可以通过3D打印机来实现。
一、3D打印技术的简介和应用
从30年（nián）前研（yán）究3D打印技术以来，科技水平的不断提高（gāo），边缘技术的完善（shàn），时代变迁和发展，这项（xiàng）技术也（yě）越来越受（shòu）到关注，那（nà）么究竟什么是3D打印技术呢？3D打印技术是将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电（diàn）子和新材料等先进技（jì）术集于一体（tǐ），依据由CAD、PRO/E等软件构造的产品三维模型对其进行分层切片，得（dé）到各层截面的轮廓。按照（zhào）这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或（huò）金属粉末）或喷射源选择性地喷涂一层层的粘结（jié）剂或热熔材料等，形（xíng）成（chéng）各面，逐步叠加成三维（wéi）实体，它（tā）将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工（gōng）的（de）组合。它也（yě）被称为增材制造技术。是美国第三次工业技术革命的产（chǎn）物，是一种制造技术。传统（tǒng）的制造技术需要将制造材料放在固定的容器中进行浇筑，然后生产产品。而3D打印则是以数字模型文件为基（jī）础运用塑料、金属等粉末状的可粘合材料，经过逐层打印构造而成。
一般（bān）分为（wéi）三步来进行：其一是要有设计好的模型（xíng），在计算机相应的位置输入设（shè）计数据。其（qí）二是运用计算机对设（shè）计（jì）的（de）3D数据模型进行扫描和识别，在指令的操作之下，形成许（xǔ）多个单层图像。最后（hòu）一步是根据第二步中出现的多个单层图像，按照指令将每（měi）一层的（de）材料（liào）叠加上（shàng）去，形成立体和现实的物品。运用3D打印技术进行（háng）建筑模（mó）型设计时不仅可以减（jiǎn）少制造的时间，同时也能降低成本（běn），无论其需要涉及的构造是否复杂，3D打印的设计都可以较快的设计出来。由此可见，3D打印技术具有（yǒu）很大的发展潜力。
3D打印技术的应用范围非常（cháng）广（guǎng）泛。建筑设计、产品设计、机械（xiè）制造、模具制造等都有普遍的应用，并且取得了较好的（de）效果（guǒ）。随着3D打（dǎ）印技术的不断发（fā）展，它将在更多方面发挥着重要的作用。3D打印技（jì）术现在比较重要的应用领域是产品设（shè）计和建筑设计，产品设计（jì）方面，3D打印技术提供了一（yī）种新的产品开发模（mó）式。在建筑设计领域（yù）的应用，3D打印技术主要（yào）是（shì）运用在大型（xíng）建筑的主体设计（jì）层面，通过这（zhè）项技术（shù）帮助设计出建筑师最初的想法，完美的还原建筑。通过3D打印技术设（shè）计的建（jiàn）筑模型不仅逼真，而且有利于成本的降低，节省（shěng）人力（lì）和物力。
二、3D打印在建筑设计模型应用中（zhōng）的优劣势
1、打印复杂结（jié）构的模型
在3D打印技术可以打印食品、玩具、汽车的今天，它还在（zài）创造无限的可能。 首先3D打印（yìn）技术可以加工传统方法难（nán）以（yǐ）制造的零件（jiàn）。过去传统的制造方法就是一个毛坯，把不需要的（de）地方切除（chú）掉，或者采用模具，把金属（shǔ）和塑料融化灌进去得到这样的零件，这样对复杂的零（líng）部件来说加工起来非常困难。而3D打印技术可以打印非常复杂的零件。
2、3D打印建筑节约时间
时间就是金钱，效率就是生命，科技的（de）进步正是提高效（xiào）率的有效方法，3D打印技术进行建筑设（shè）计模型的应用时，可以直接将建（jiàn）筑模型进（jìn）行多种层面的操作，元素自动生成，无需在进行浪费时间的复制（zhì）工作，这样可以使设计团队的成员直接进行意念上的合作与对接（jiē）。建筑的（de）精（jīng）髓在（zài）于设计，那么施（shī）工如果（guǒ）能做到完（wán）美。一栋几十层高的楼，普通施工，大概需要半年至一年（nián）才能施工（gōng）完毕。而当（dāng）前3D打印机可在24小时内打印10栋200平方（fāng）米的建筑（zhù）。
3、3D打印建筑材料强度高
3D打印（yìn）建筑的墙体与传统建筑的墙体具有很大的不同，3D打印的喷口按照螺纹（wén）结构依次打印，最后呈“Z” 字形排列，一层一层的叠加，形成墙体，因此墙（qiáng）体结构是中空的。3D打印出（chū）的建筑材料强（qiáng）度高、质量轻，比起传统建筑材料要有很大的优势，因其中空的“Z” 字形结构，产生一种（zhǒng）三（sān）角形的稳定支撑，从而抗震效（xiào）果也会更好。
4、3D打印建筑（zhù）更（gèng）加环保，绿色
相比于传统（tǒng）制造业的浪费资源，破坏环境，新兴的3D打（dǎ）印技术可以完全避免这些问题，因为这种技术是直接按照电脑的设计进行打印操作的，3D打印的材料来自于建筑垃圾、工（gōng）业垃圾等，废物利用，通过一些技（jì）术手段进行加工分离，产生了类似与普通打印机的“油墨”,过程中因为没有沙子、石子、水泥等材料的运输，从（cóng）而不会产生扬尘，污（wū）染环境（jìng）。并且不需（xū）要切割（gē），一次成型。
除（chú）了上述的优点之外，3D打印建筑模型也（yě）存在着一些不足和需要改进（jìn）之处，主要有以下几个方（fāng）面：
1、3D打印技术不够成熟
据统计，3D打印机生产的产品中80%依旧是（shì）产品原型，仅有20%是最终产品。自3D打印机技术在80年（nián）代（dài）产生以来，经过（guò）数十（shí）年的发展，在21世纪（jì）初已取得不小的进步，比如材料增多、打印机和原材料价（jià）格逐渐下降（jiàng），但是目前来看，这（zhè）依旧是一项年轻的技术，在没有变得更加成熟和廉价前，并不会被企业大规模（mó）采（cǎi）用。
2、3D打印技（jì）术没有行业标准
目前3D打印建筑仍处在研（yán）究探索阶段，。但是在建筑行（háng）业需要一个标（biāo）准，通过这个标准才能全面的推广起来（lái）。例如根据（jù）现行的标准，没有钢筋就不能验收，但3D打印建筑可以不需要钢筋，因此行业标（biāo）准很重要。
3、3D打印材料选择问题
3D打印在（zài）建筑新材料是一种建筑工艺上（shàng）的开拓，不过3D打印房屋要想真正普及，恐怕还需斟酌。比（bǐ）如3D打印的“油墨”主要是由建筑废料做材料，高标号水泥和玻璃纤维等构成。而据了解，某些国家（jiā）禁（jìn）止建筑大量使用玻璃纤维，因为玻璃纤维对人体的呼吸系统有影响。所以，材料也需要慎重选择。3D打印建筑材料需（xū）要有流动性，同时还需要考（kǎo）虑到（dào）温（wēn）度因素，若流动性（xìng）大，则打印过程中材料无法堆叠，流动性小，则容易（yì）堵塞打印头。
4、3D打印机的精度问题（tí）
3D打印技术类似于挤牙膏，采（cǎi）用的是逐层堆叠。第一层打印完（wán）成后（hòu），必须等第一层打印材料凝固硬化后再进（jìn）行（háng）上（shàng）一层打印，通过层与层之间（jiān）的紧密粘结来保持墙体的整体性。精度越高则厚度（dù）越薄，精度不够导致层与层之间不够光滑，表（biǎo）面粗（cū）糙，并且条纹样式也很单一。
三、 发展与展望
3D打印建筑技术会对（duì）环保、建（jiàn）筑业、混凝土等行业带来改变。现行我国的水泥行业还是粗犷性发展，浪费（fèi）资源污染环（huán）境，势必进行改变，走可持续发展道路。3D打印建筑技术不仅可（kě）以更有效地利用（yòng）混凝土材料，以及其（qí）他一些废（fèi）料，精细化生产，而且更能够大幅度提高建筑物结构强度，此举无疑又大大减少了建筑垃（lā）圾的产生，不浪费，不污（wū）染环境。因此，研究探讨出符合需求（qiú）的新时（shí）期商品混凝土是十分必要的。
首先，商品混凝土的原（yuán）材料将会（huì）变得更加广（guǎng）泛，材料最核心的要（yào）求是（shì）上一层打出（chū）来以后，下（xià）一层不能变形，不能坍塌， 比如胶凝（níng）材料可（kě）能采（cǎi）用特种（zhǒng）水泥、树脂、镁质胶凝材料等，以满足（zú）3D打（dǎ）印的需要（yào），并且还有可（kě）能会生产出新（xīn）的完全不同于现在的材料；外加剂也可能会从根本上发生（shēng）改变，因为不能以现在的混凝土标准来衡量（liàng）。
其次，在配合（hé）比设计（jì）方面，可能（néng）还需（xū）要有新（xīn）的理论来支持。因为3D打印所需要的混凝土已经不同于传统的混凝土，混凝土各项性能发生了巨大变化，不（bú）是简（jiǎn）单的水灰比、砂率等所能决定（dìng）的了，其硬化、收缩性（xìng）能发生根本性改变，目（mù）前的混凝土强度理论、耐久性能理论、水化作用理论等均不能适应要求。为获得更高的（de）强度（dù），更好的耐久性，更完美的拌合物性能，更快的硬化速（sù）度和性能（néng），需要（yào）从新的角度去发现理论，新的配合比设计方法，建立新的计算（suàn）模型（xíng），以及硬化理论模（mó）型、服役（yì）寿命预测模型等。
可以预见在今后很长一段时间内3D打（dǎ）印仍然将被人们广（guǎng）泛关注（zhù）。由于看好3D打印技术所表现出来（lái）的广阔的（de）应用前景，许多国家纷纷出台本国的3D打印发展规（guī）划，布局3D打印产业。3D打印（yìn）技术在建筑领域的应用（yòng）研究刚刚（gāng）开始，还存在许（xǔ）多亟待解决的问题（tí），比如适合3D打印的建筑材料的研究，是仍然（rán）使用混凝土还是开发其他种类（lèi）的（de）建筑材料，如（rú）果使用混凝（níng）土，混凝土的工作性能、耐久性能则需（xū）要进行专门的设计和评估。3D打印建筑还有很长的路（lù）要走，但是毋庸置疑的是，3D打印建筑一定会（huì）成（chéng）为未来世界的新标杆。
