本文作者:钢结构设计

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钢结构设计 2周前 ( 11-18 11:30 ) 2 抢沙发

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3D打印是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的来构造材料的快速成型技术.

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3D打印是一种以数字模型文件为基础(1分),运用粉末状金属或塑料等可粘合材料快速成型(1分),通过逐层打印的来构造物体的(1分)快速成型(1分)技术。 分 析:下定义类题目,首先要确立整个句子...

3D打印技术打印的房屋建筑,会在不远的未

感谢邀请!3D打印技术与建筑工程领域对我是个空白,为此有兴趣推荐这篇文章,与大家分享讨论。

《3D打印技术在建筑工程领域的应用前景》

科技改变生活,科技提高效率,科技创造价值。随着科技进步,如今越来越多的新技术、新工艺、新材料被应用到建筑工程领域,极大地提高了工程建设的质量和效率。3D打印技术正是科技发展的产物,自打其研制诞生以来,就不断地吸引人们的眼球,受到各行各业的广泛关注,打印食物、打印机械零件甚至打印手枪等不一而足。3D打印技术先后进入了牙医、珠宝、医疗行业,人们希望利用3D打印等先进制造技术快速制产品,借此提升执行任务的速度并降低成本,3D打印技术未来应用的范围会越来越广。如今也有建筑工程人员将这项技术应用到建筑领域,并取得了一定成效。

一、3D打印技术

(一)3D打印技术的概念。我们都知道文字图片打印机,它们是平面的二维打印,3D打印就是在普通的二维打印的基础上再加一维。与普通打印机工作原理基本相同,区别在于只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂以及尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、镀银、镀金、橡胶类材料等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料。3D打印机工作时先像普通打印一样,在一个平面上将塑料、金属等粉末状材料打印出一层,然后再将这些可黏合的打印一层一层的粘起来。通过每一层不同的“图形”的累积,最后就形成了一个三维物体。就像搭积木一样,一层一层的累积起来后,就完成了一个设计好的立体的样子。3D打印技术就是快速成形技术的一种,它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过一层又一层的多层打印,来构造零物件。模具制造、工业设计常将此技术用于建造模型,现在正向产品制造的方向发展,形成直接数字化制造。

(二)3D打印技术的现实意义。首先,大幅度提高工作效率。根据模型的尺寸以及复杂程度,传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,开辟了快速成型的新途径。其次,降低成本。传统的制造技术如注塑法可以降低成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快、更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。再次,打印的物品逼真。因为3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够,并且是三维的,所以打印出发产品例如模型十分逼真。今天的3D打印能复制出与原物一模一样的实物出来。最后,给设计者带来更多的想象空间。

二、3D打印技术在建筑领域的应用

(一)建筑设计领域应用

3D打印实际就是快速成型技术的应用,快速成型技术是特种加工技术中具有代表性的一种,它是集数控、机械CAD/CAM技术、激光加工、新材料科学等多种新型技术为一体的新技术。由于3D打印成品的可塑性非常强,从二维到三维,3D打印可以精确到600dpi,每层0.01毫米的厚度,几乎任何复杂的结构都可以轻松打印出来,于是许多建筑设计师将该技术用于建筑与市政布局模型、工业设计的快速成型。

以往建筑设计师制作模型和3D效果图都是手勾草图,现在,3D打印提供了一种与传统的3D效果图、建筑模型等建筑造型表现不同的、全新的操作模式,它将让模型作为建筑师矫正设计的手段这一初衷获得新生。整个建筑模型制造过程分为三个阶段:拍照、建模、打印。这种操作比用软件画图、按照图纸仿形雕刻更精确、更快捷。

(二)建筑市场开发应用

1.建设方案初始设计阶段。我们知道通过看2D图想象3D空间确实比较困难,需要有丰富的空间想象力。3D打印模型在这一点不仅非常有用,而且还可以有效传达想法,根据各方讨论意见随时改变。例如在做城市综合体、交通综合体等这种大体量建筑群开发初始阶段,就需要研究这些综合体建成后会对周围的建筑和城市空间有何影响。最好的、最有效的做法就是给出模型,用以直观真实的展现建成后的情景,3D打印机具有这方面的极大优势。

2.建设提交方案成果阶段。建筑工程每个设计阶段的任务终将形成一个连贯一致的设计,包括方案、成本、准则等所需要求。如果用3D模型完成空间、环境设计,就相当一个缩微版的建筑与环境原型再现,必然会得到建设方和公众的接受,也可避免因为设计者的疏忽造成的失败建筑。

3.项目技术设计和营造阶段。随着建筑项目的开展,3D打印模型的辅助设计功能也随着改变,转向项目的技术设计和细部处理、风格展现,比如内饰、外饰的材料、风格、空间内部的陈设和装饰物品,使之更加深化细致。

4.建设项目成果展示。3D打印模型不仅是设计过程和项目施工过程中所用的工具,也可作最终展示。设想在一间设计公司的展厅内,陈列着这家公司完成的许多项目缩微模型,他们就是窗外真实城市景观的真实再现,这些模型就能赢得潜在客户的信任,给设计者带来新的收益机会。

(三)在建筑构件方面的应用。如今有一些建筑师将3D打印技术应用于建筑构件。起初,建筑师采用SLS(选择性激光烧结)3D打印技术按照设计的尺寸分段打印各个节点,然后将其组装起来。SLS3D打印技术能够满足建筑所需要的美学和结构方面的需求。

(四)在制造实体建筑方面的应用。也就是用3D打印技术来盖房子。采用的方法是分段打印组装,即建筑模块化,在工厂里每块打印好,最后一起现场组装。与建设传统房屋一样,打印房子之前首先需要打下地基;接着,打印机根据图纸打印墙体结构,同时预留“梁”与“柱”浇筑的空间;最后,在预留空间置入钢筋、灌注混凝土,在墙体的中空部分填充保温材料。这种打印实体建筑在我国也有案例,肉眼观察,这些3D打印房与普通房屋有着明显的区别:它们的墙体有着类似雕饰的纹路,或横向或纵向,而整体效果宛如制作奶油蛋糕时挤出的奶油被一层一层堆叠起来。

三、3D打印技术在建筑工程领域的应用前景分析

3D打印技术在建筑工程领域的应用还有较长的路要走,特别是在实体建筑打印方面还面临诸多挑战。

首先,打印材料的限制。3D打印机使用的是真实的金属、陶瓷、塑料、尼龙玻纤等材料,虽然可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印,但打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外,打印机也还没有达到成熟的水平,无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。虽然研究者们在一些打印材料上已经取得了一定的进展,但除非这些进展达到成熟并有效,否则材料依然会是3D打印的一大障碍。

其次,打印机器的限制。3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平,几乎任何静态的形状都可以被打印出来,但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。但最基本的困难在于尺寸。2维打印大家都常用,一个最根本的常识就是,输出尺寸越大,打印机本身就越大,那么打印机的喷头活动范围要能够覆盖全幅的输出尺寸,那么必然会大一圈。在3维打印领域,这意味着:如果打印住宅则打印机需要比你的住宅大一圈。机器越大越难制造,更重要的是机器越大,打印精度和打印速度就会越差。所以现阶段解决3d打印房屋的一些基本问题:材料,控制,精度等。

再次,3D打印建筑的安全问题。一方面,3D打印技术能否把房屋的梁体、墙体和柱体做到和传统行业一样坚固,还有待检验。另一方面,建筑的抗震性。现在一般使用超轻的全新材料,打印的房子自重会小于传统房屋,抗震性也就更好,但如果打印房的自重大于普通房屋,抗震性的问题就值得考虑了。再一方面,建筑的耐撞击性,不管怎样由于材料的关系,打印的建筑的耐撞击性可能不如传统房屋。国家尚未对3D打印建筑出台相关标准,这使得3D打印房的安全性、抗震性等性能无法得到检验。

因此,短期内,3D打印技术不可能完全替代传统建筑。一种较大的可能是新技术与传统工艺互为补充,在钢筋混凝土结构的基础上结合3D打印技术,建造一些科幻建筑、概念建筑等。但在设计体系、模型制作、钢筋混凝土很难塑造的个性的效果方面,3D打印却能发挥不可替代的作用。

3D打印在不同行业的应用

1. 航空航天

作为工业界皇冠上的璀璨明珠,航空航天制造领域集成了一个国家所有的高精尖技术,是国家战略计划得以实施,政治形势得以展现的后援保障领域。

3D打印技术的突出优点就是可以快速成型,无需任何加工或者模具,这极大的提高了生产效率,缩短了产品研发制造的周期。

3D打印技术,可以在保证性能的前提下,将复杂结构经变换重新设计成简单结构,从而起到减轻重量的效果。而且通过优化零件结构,能使零件的应力呈现出最合理化的分布,减少疲劳裂纹产生的危险,从而增加使用寿命。

2. 汽车行业

3D打印最早应用于汽车行业是因为这种技术免除了传统的开模过程,无模化的制造过程使得3D打印技术在小批量生产方面更具有灵活性。

汽车轻量化是实现汽车节能减排的重要途径,已成为汽车发展的潮流。在轻量化3D打印汽车零部件设计与制造领域中的一个著名应用案例是由EDAG工程公司打造的Soulmate概念车,车辆的轻量化车身由一系列的金属3D打印节点连接而成。

通过仿真技术,在进行3D打印之前就对这些结果进行预测和优化,轻量化3D打印降低了零件打印失败的风险,缩短了制造时间、降低了制造成本。

3. 建筑行业

建筑模型

通常制作一个逼真的建筑模型是一个非常艰巨的任务,在过去,模型制造商需要花费几个礼拜,甚至几个月的时间来制作、雕刻和上色来得到一个逼真的模型,今天采用3D 打印只需几天,从建模到3D打印,再对初始模型进行打磨抛光、上色等处理,最终呈现一个完成的模型。通过3D打印获得的建筑模型,能够更好的凸显建筑细节,且更为形象、直观、准确地表达设计思想和产品功能。

建筑沙盘

能直观的展示建筑风貌,可用作效果展示,虚拟漫游等。

4. 家装行业

3D打印作为颠覆传统工艺的魔杖,在结构上的塑造能力,更加随意和自由,可以让家居设计师充分发挥创意和设计能力。3D打印家装设计产品摒弃传统家装造型老旧单一等缺点,具有效率高、修改成本低、想象空间大等优点。

一个科技感的吊灯,一个艺术气十足的几何花瓶、一副浮雕的挂画……3D打印技术,释放人们对空间和结构的想象力,引燃人们体内的欲望之火。

5. 影视动漫

3D打印技术开始被运用在影视特效制作流程中可以追溯到十几年前,当时好莱坞特效项目的制作周期非常有限, 而3D美术设计师结合3D打印技术帮助整个行业的设计流程变得更有效率。

定格动画制作

3D打印技术可以使定格人物模型的制作材料不再局限于粘土、布料等,制作方法上摆脱传统手工制作的束缚,极大提升工作效率。

人物场景设计

运用3D打印技术,可以把基本的角色设计模型打印出来。更加简洁值观明了地进行前期人物的设计与创作,从而提高动画设计与制作效率。

衍生品开发

动漫游戏爱好者可以根据自己的喜好打印衍生产品。

6. 电子消费品行业

电子消费品行业常会用到一些软的、易变形的、曲面复杂等不易检测的零部件。通过三维扫描可以在成型阶段对形状进行评估,生成直观的全尺寸检测色谱图,及时发现设计缺陷或制造问题,还可以确定产品的孔位尺寸,保障产品的装配精度。

定制的电子外壳、USB记忆笔盒、键盘等,具有具有复杂的形状和各种颜色,图形和尺寸。用户可根据自身喜好在颜色、图像和图形之间进行选择,获取独属于自己的产品。

7. 教育行业

3D打印将制造业中的应用越来越广泛,3D打印将变成强制性教育的一部分,学校不能错过它,否则,他们将无法正确地为社会准备他们的学生。

学生通过3D建模软件课程,生成教育模型,以及通过原型设计全功能项目来探索增材制造。他们可以在几天内测试他们的想法,并花更少的时间来完善概念并将其作为最终产品实现,更重要的是,还可以通过3D打印技术激发孩子的创造力和对美的感知。

8. 医疗领域

医疗器械行业是3D打印的重要市场,3D打印能够实现个性化、精准化的医疗服务。通过3D扫描仪扫描出精准数据,打印出与病人需求高度契合的产品。例如:医疗模型、仿生耳、义肢、假牙等。

2015年9月,中国首个3D打印人体植入物-髋臼部件获得国家食品药品监督管理总局(CFDA)注册批准,标志着3D打印技术在中国正式进入临床应用。

3D打印只有贴近应用才能彰显它的独特魅力,无论是高大上的航空航天,还是个性十足的家装灯饰,抑或是需要高度契合的医疗产品,3D打印在各个领域的应用比以往都更加深入,各大行业似乎也更有信心。

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