Autom. Constr. ：泡沫3D打印施工：应用、材料和工艺的综述

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Autom. Constr. ：泡沫3D打印施工：应用、材料和工艺的综述

题目

题目：Foam 3D printing for construction: A review of applications, materials, and processes

泡沫3D打印施工：应用、材料和工艺的综述

关键词

关键词：泡沫3D打印；数字制造；建筑自动化；可持续建筑

来源

出版年份：2021

来源：Automation in Construction

课题组：瑞士苏黎世联邦理工学院Patrick Bedarf课题组

研究背景

在过去的二十年里，大规模增材制造（AM）已经成为建筑和建筑工程研究的一个日益重要的领域。各种综述文章系统地介绍了这一新的研究领域的现状、挑战和未来发展。水泥材料的3D打印（3DP）是其中主要的研究方向之一，例如轮廓加工和混凝土3DP，后者在这一研究领域占主导地位。通过无模板生产高质量、多功能的建筑构件，特别是通过在复杂几何形状中优化材料的使用，在减少建筑浪费和增加建筑价值方面显示出巨大的潜力。为了进一步推进混凝土3DP的发展，目前研究的核心集中在打印系统和材料设计。这些研究背后的动机是高效和可持续建设的需求，这是指一种更资源高效和环境友好的建造方式。然而，学者们对于3DP技术的可持续性程度普遍存在争议，其准确的评估框架尚不完善。建筑3DP在大型建筑项目中的适用性、打印建筑构件的全生命周期性能以及其在大规模定制生产中的实际需求尚不明确。本文介绍了3DP建筑与另一种与建筑可持续性密切相关的材料，控制密度的多孔建筑材料，通常以固体泡沫的形式出现，特别适合于多性能应用，如轻质和节能建筑。

研究出发点

尽管3DP技术在建筑工程中得到了广泛的应用，但迄今为止，有关泡沫3DP技术在建筑工程中的应用研究非常有限，也没有对其进行全面的综述和批判性的评价。因此，本文的目的是定义泡沫建筑3DP领域，并整理相关工作，挑战和发展，对未来的研究具有重要意义。

研究内容

根据对150多篇同行评议的文章和研究报告的分析，泡沫3D打印（F3DP）的学术辩论包含三个主要主题：材料组成和材料设计的发展、打印和加工技术、应用和材料加工发展的未来挑战。本文综述了F3DP在建筑领域的发展前景，并对其进行了系统的概述，为可持续建筑过程的研究和开发开辟了新的视野。

图1 泡沫塑料在建筑中的典型应用方法：a) 板、块和模板，b) 夹层复合材料，c) 定制切削成型，d) 现场浇筑，e) 现场喷涂

图2 3DP的有机泡沫：a) 用于室内隔音材料，b) 圆顶结构缺失模板，c)社会住房

图3 3DP无机泡沫：a) 泡沫混凝土打印在墙上，b) 和c) 多孔陶瓷打印成三维格子

图4 泡沫3DP工艺示意图：a) 挤出，b) 喷射，c) 粘结剂喷射

M代表材料，A代表空气，B代表粘结剂

图5 喷射3DP的案例：a) 钢筋混凝土构件SC3DP， b) 机器人外加剂石膏喷涂，c) 无人机机器人土制单片壳喷涂

主要结论

1. 建筑行业正面临着重大的环境和经济挑战，正经历着向更可持续和更高效的施工过程的转变。然而，还需要更广阔的视角来使用多性能建筑材料。这篇综述强调了多孔材料，特别是泡沫，作为高性能、轻量化和绝缘材料对建筑行业的重要性，以及它们在最新的AM研究中对高效施工过程和创新建筑构件的重要作用。到目前为止，只有少数研究项目研究了大规模泡沫3DP的潜力；

2. 少数几个达到施工规模的打印结果的重要例子使用了PU喷涂泡沫作为非功能模板。由于有机泡沫是一个长期存在的建筑材料，它们可以精确地定制和适应3DP应用。然而，由于其易燃性和石油化工来源，它们仍然存在很大的问题。相反，无机泡沫是不易燃的，适用于水泥、地聚合物和陶瓷泡沫等3DP。它们的无机来源和无毒处理使其成为比有机泡沫更好的建筑材料。然而，在文献中只有少数无机泡沫的3DP例子存在，主要是关于小规模的材料设计；

3. F3DP可采用多种工艺技术，其中，挤出打印是最容易实现的，非常适合打印浆料、浆体和泡沫等材料。在可打印泡沫塑料的小规模试验中，该技术已被证明是可靠的。将这项研究提升到建筑的规模会带来很多挑战，但也会带来很多机会。F3DP将使劳动密集型应用自动化，并创造新型轻质、绝缘的建筑构件；

4. 未来的挑战是通过F3DP实现的新型建筑构件的开发。在热结构应用中，具有高效功能梯度孔隙率的单材料泡沫构件变得可行。大规模连续F3DP的材料配合比和加工路线必须为坚固可靠的制造结果而开发。此外，必须研究打印轨迹布局对打印构件最终性能和耐久性的影响，以满足建筑行业的高要求；

5. F3DP有潜力推动建筑行业的进步，通过开发先进的无机材料和适应现有的打印和加工技术，实现创新的功能梯度单材料建筑构件的高效制造过程。因此，建筑师和工程师有机会通过F3DP从性能、资源循环和材料表达方面重新思考整体建筑，以实现未来的可持续建设。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103861