3D打印技术制作的钢结构节点

3D打印（3D Printing）是以数字模型文件为基础，运用可黏合材料，通过叠加打印的方式构造三维物体的技术，又称增材制造（Additive Manufacturing）。早在2011年，英国《经济学人》杂志就指出这项技术蕴含的巨大影响力：“三维打印使得生产单个物品与批量生产几乎一样便宜，这就削弱了规模经济。它对社会影响的深远程度可能同1450年的印刷机、1750年的蒸汽机和1950年的晶体管一样，没人能轻易预料。它迅速发展着，对每个相关领域都产生着巨大的影响。”时至今日，3D技术在工业、消费和社会文化领域的应用越来越广泛。

在钢结构博物馆，收藏着一个利用3D打印技术制作的钢结构节点。该节点通高14厘米，通宽10厘米，最大直径5.4厘米，重500克，自奥雅纳荷兰公司购得。

钢结构博物馆馆藏3D打印钢结构节点

2015年，奥雅纳团队采用增材制造技术为复杂建筑项目设计了关键的钢结构部件。据团队负责人之一莎乐美·盖亚德（Salomé Galjaard）介绍，这项技术可以更高效地制造大量复杂的独立设计产品，“具有同样作用的建筑构件，使用增材制造技术要比使用传统方法制造时高度低一半，而每个构件的直接重量减少了75％。……如果是一个建筑工程，这意味着我们可以将整体结构的重量减少超过40％。但真正令人兴奋的是，这种技术可能被应用于任何使用复杂的、高品质金属制品的行业。”

构件应力对比云图

01. 3D打印的历史

3D打印的概念最早可追溯至1950年代，当时美国科普作家雷蒙德·琼斯（Raymond F. Jones）在文章中首次描述了3D打印中使用的一般概念和步骤。1971年，美国人约翰内斯·哥特瓦尔德（Johannes F. Gottwald）申请了液态金属记录仪专利US3596285A，其工作原理与3D打印类似。1974年，英国化学家和作家戴维·琼斯（David E. H. Jones）在《新科学家》杂志常规专栏中提出了3D打印的概念。

3D打印机

早期的3D打印设备和材料是在20世纪80年代发展起来的。1981年，日本名古屋市工业研究所的小玉秀男发明了利用光硬化聚合物制造三维塑胶模型的方法。1984年，三维系统公司的查尔斯·赫尔（Charles Hull）发明立体光刻，用紫外激光固化高分子光聚合物将原材料层叠起来，此后他又于1986年成立了世界上第一家生产3D打印设备的公司，专注发展3D打印技术。赫尔也被誉为“3D打印之父”。1995年，麻省理工学院的两名学生把打印机墨盒里的墨水替换成胶水，用胶水黏结粉末床上的粉末，打印出立体物品。他们将这种方法称作3D打印，3D打印从此开始慢慢流行。同年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机，至2005年，该公司研制成功市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510。

“3D打印之父”查尔斯·赫尔

此后，3D打印持续在不同领域取得突破。2010年，世界上第一辆由3D打印的汽车Urbee在美国问世。2011年，英国南安普敦大学开发出第一架3D打印飞机。2012年，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。2013年，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。同年，美国3D打印公司“固体概念”（Solid Concepts）设计制造出3D打印金属手枪。2018年，俄罗斯宇航员利用国际空间站上的3D生物打印机，在零重力条件下打印出实验鼠的甲状腺。同年，荷兰MX3D公司完成世界上第一座完全3D打印的钢桥，长12米。2019年1月14日，美国加州大学圣迭戈分校首次利用快速3D打印技术，制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架，在装载神经干细胞后植入脊髓严重受损的大鼠脊柱内，成功帮助大鼠恢复了运动功能。同年4月15日，以色列特拉维夫大学以病人自身组织为原材料，打印出全球首颗拥有细胞、血管、心室和心房的完整心脏。2020年5月5日，中国长征五号B运载火箭搭载3D打印机升空，这是中国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料3D打印实验。

世界首个3D打印心脏

02. 原理、过程和应用

3D打印与日常普通打印的工作原理基本相同，只是在打印材料上，普通打印机使用的是墨水和纸张，而3D打印机内部装载的是砂、金属、陶瓷、塑料等原材料。3D打印机与电脑相连，通过电脑控制把上述“打印材料”层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图转变成实物。

3D打印过程的主要环节包括建模（三维设计）、切片处理和打印。建模是通过计算机辅助设计软件或者三维扫描仪，获得真实物体的形状、外表等的电子数据，并以此为基础生成三维电脑模型，切片是将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，最终打印机对照切片完成逐层打印。在实际操作中，可以先用标准分辨率打印一个比要求稍大的模型，然后用高分辨率的削减程序将多余的材料移除，这样就能得到更为精确的3D模型。

用于3D打印的CAD模型

基于打印材料和叠加方法的不同，3D打印包含有多种技术工艺，主要包括挤压沉积、颗粒结合、层压和光聚合等，不同工艺都有各自的优缺点。挤压沉积是使材料熔化或软化从而产生层，通常适用于热塑性塑料、共晶系统金属和可食用材料；颗粒结合是在颗粒床上对材料进行选择性融合，适用于几乎所有合金和热塑性粉末、塑料等；层压是使用薄塑料或薄金属片对材料进行层压成型，一般用于纸张、金属膜、塑料薄膜；光聚合是采用立体光刻技术，从液体中分离固体成品的方法，主要用于光聚合物，如环氧树脂、丙烯酸酯等。除了上述四种主流工艺外，还有金属线路型和粉末喷墨针头型两种方法，前者适用于几乎所有金属合金，后者主要用于石膏。

熔融长丝制造工艺示意图

自20世纪80年代以来，基于快速成型设计和研究目的，工业3D打印机越来越多地应用于服装、汽车、飞机、建筑、武器、医药、电脑、太空等多种领域。世界上制造工业用3D打印机的公司包括Renishaw、Objet Geometries、Stratasys、3D System和Z Corporation公司。

使用3D打印技术制作的奥迪RSQ汽车

03. 打印与建筑

长期以来，传统建筑技术存在着人工投入量大、建设周期长、环境污染重、资源浪费多、易发生安全事故、产生较多建筑垃圾等问题。3D打印技术的发展和应用，对于解决这些问题具有重要意义。根据相关测算，3D打印理论上可以节约建筑材料30～60%，缩短工期50～70%，减少人工50～80%，使建筑成本总体降低50%以上。

荷兰MX3D公司打印的钢桥

目前3D打印技术在建筑领域较为成熟的应用主要在两个阶段。一是建筑设计阶段，主要是用于制作建筑和城市规划模型。通过3D打印方式制作的模型，速度快、成本低、工艺精美且绿色环保。二是建筑施工阶段，主要是建造足尺建筑，通俗地说就是“打印”可供居住和使用的房子。国内外一些案例如中国盈创、美国“轮廓工艺”、意大利“D-shape”、荷兰“Kamer Maker”、英国奥雅纳等，都对建筑3D打印技术进行了深入研究，取得开创性成果。

立体光刻工艺示意图

2016年，由中建钢构有限公司自主研发的“一种塔式3D打印机及其打印方法”获得国内钢结构行业首个国家发明专利授权。这项技术针对建筑施工作业塔吊安装技术改造而设计的3D打印机，其控制系统根据3D 模型的坐标位置向机动系统发送控制指令来控制塔吊的上下运动、水平运动和打印系统的位置滑动，使打印系统精确定位到需要打印的坐标位置上，控制物料添加系统向打印系统输送掺有一定比例粘合剂的建筑物料，并远程操作打印系统精准进行3D打印，可以省略大部分手动施工作业，节约大量劳动力、物力，提高施工效率，同时通过在地上的控制系统远程遥控塔吊的水平和垂直移动，避免了塔吊驾驶人员高空作业安全隐患，给现场施工作业提供安全保障。

位于迪拜的全球首座3D打印全功能办公室

总体而言，建筑3D打印技术目前仍处于探索阶段，存在人才短缺、技术不成熟、新材料不足、标准体系有待完善等短板，但是新模式、新技术和新材料（如钒钛合金材料）的发展正在快速弥补这些不足。从长远看，基于其独特优势，未来3D打印将在建筑构件、雕塑小品、应急用房、防风固沙、太空基地等方面发挥重要作用。假以时日，它必将为建筑业带来更加深刻的变化。

04. 打印未来

诺贝尔奖得主、以色列材料化学家丹尼尔·舍特曼(Daniel Shechtman)认为在未来，“3D打印将会成为一个碾压性的技术”。中国工程院院士、西安交通大学教授卢秉恒预言未来三至五年，中国的3D打印应用将在航空航天、医疗、个性化电子产品领域迎来爆发，五至十年内，3D打印产品将在百姓生活中随处可见。美国经济学家杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)把3D打印视作第三次工业革命开始的信号。

3D打印的限量版首饰，原材料为玻璃纤维填充的染色尼龙

除了相关领域的技术革新，这项技术给环境带来的变化也显而易见。3D打印减少了生产所需原材料的能源，实现了本地化生产，大大降低了运输所产生的能源消耗和温室气体排放。

3D打印技术在各领域的分布

3D打印技术也引发了社会学领域的诸多争议。美国前财政部长劳伦斯·萨默斯(Lawrence Summers)其对传统就业和企业创新造成消极影响，诺贝尔经济学奖得主迈克尔·斯彭斯(Michael Spence)则关注技术革新带来的边际效益。此外，在打印过程中也会无可避免地遭遇专利、工业设计使用权、著作权、商标权等的保护问题，如何应对3D打印武器的管理、如何保障3D打印产品如建筑、汽车等的安全性也迫切需要慎重思考，而打印人体组织和器官更是引发道德伦理方面的激烈讨论。

未来海洋城市

毫无疑问的是，在未来，3D打印将彻底改变我们的生活。

参考文献：

[1]张静,薛雨桐.3D打印建筑的应用现状及发展前景[J].城市住宅,2019,26(08):64-66.

[2]白瑞国.钒钛新材料的应用及展望[J].河北冶金,2019(03):1-8.

[3]中国建筑工程总公司.中国建筑获得钢构行业首个3D打印发明专利授权[J].中国建材资讯,2016(01):50.

[4]田伟,肖绪文,苗冬梅.建筑3D打印发展现状及展望[J].施工技术,2015,44(17):79-83.

[5]关彦齐,王芳芳.浅析3D打印的现状与前景[J].科学技术创新,2020(18):78-79.

[6]维基百科www.wikipedia.org.

（编辑：奚雅青）

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