3D打印技术在装配式建筑中的应用与趋势

3D打印技术是将原材料通过喷嘴，依据三维切片模型进行逐层堆积材料而直接得到实物的技术。该项技术得益于其独特的制造方法，大大增加了模型的几何自由度，减少了对于人工的依赖性，节省了原材料与时间，是一种低能耗、低排放的新兴技术。易于与新能源、大数据、人工智能等新兴技术实现跨界融合和多场景叠合应用，构成第四次产业革命的重要支撑和创新技术。

3D打印技术在建筑业的应用最早始于20世纪90年代末，吸引了全球众多企业和大学的研究和参与，截至目前已经出现了40多种不同的打印技术。对于3D打印技术的研究，其主要集中于材料配比和施工方法，少有针对3D打印技术的详细讨论和分类。

在美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials, ASTM）与国际标准化组织（International Organization for Standardization, ISO）在联合发布的3D打印技术标准中，3D打印分为立体光固化、材料喷射、粘结剂喷射、粉末床熔融、材料挤出、定向能量沉积和薄材叠层七种，目前应用于国内外建筑业的主要有四种，分别为粘结剂喷射、材料挤出、粉末床熔融和定向能量沉积。

材料挤出是通过喷嘴挤压材料，并将其逐层沉积。该方法由Crump发明，由于其需要将打印材料从高温喷嘴中挤出沉积，因此该技术也称为熔融沉积成型技术，并以此商业化，逐渐广泛应用于建筑业和廉价个人3D打印机。例如，Khoshnevis开发的轮廓工艺技术，Gosselin等开发的名为XtreeE的六轴机械臂打印技术和应用最广的混凝土打印技术。

粘合剂喷射与材料挤出相反，由粘合剂作为油墨，选择性地将液体粘合剂喷射到每一层材料上，以将粉末粘合在一起，将粉末材料一层一层地沉积。该技术特点是成型速度较快，可彩色打印且无需支撑，常适用于较小和精度较高的零件打印，于1997年由Pegna首次提出。

粉末床熔融是以激光和电子束为能量源，选择性地熔融金属材料粉末床的工艺。此类技术主要应用于建筑中的金属及玻璃构件的制造，有利于减少材料浪费和提高生产效率。

定向能量沉积是利用热能融化材料，使其逐层沉积，主要用于打印大尺寸金属构件和修复受损金属零件。对于薄板层压工艺，Fabrisonic曾开发出一种超声波3D打印系统，并可用于建筑业金属构件制造，但由于其制造成本过高，尚未在建筑业得到成功应用。

经实践证明，在建筑业能够成功应用的3D打印技术主要为材料挤出、粘合剂喷射和粉末床熔融。表1按照时间顺序梳理了3D打印技术在装配式建筑中的应用，并分别介绍了不同技术的特点。从3D打印技术的发展路径可以得出结论：3D打印在建筑业的发展过程从非现场化走向现场化和移动化，从单一材料走向多种材料和复合材料，从打印墙体再到打印与建筑相关的塑料构件、金属构件和玻璃构件等，既有大型的龙门式打印系统，也有小型机器人和无人飞行打印系统。