Nature子刊：印度研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)突破性建筑3D打印系統(tǒng),讓水泥也能"打印"房子

導(dǎo)讀：你是否曾經(jīng)想過，有一天我們可以像打印文件一樣"打印"房子？

2025年5月，南極熊獲悉，印度研究人員在Scientific Report上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，讓這一科幻場(chǎng)景離我們更近了一步。研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一套經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的建筑3D打印系統(tǒng)，能夠使用本地材料打印出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的水泥構(gòu)件，為未來建筑行業(yè)帶來了新的可能。



研究背景
傳統(tǒng)建筑行業(yè)一直面臨著材料浪費(fèi)、施工效率低下和設(shè)計(jì)受限等問題。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，建筑領(lǐng)域開始探索這一創(chuàng)新方法。印度曼尼帕爾高等教育學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)看準(zhǔn)了這一趨勢(shì)，著手研發(fā)適合本地條件的建筑3D打印系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)一個(gè)既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又能適應(yīng)本地材料的擠出系統(tǒng)，讓建筑3D打印技術(shù)能夠在更廣泛的地區(qū)推廣使用。

研究?jī)?nèi)容
這套建筑3D打印系統(tǒng)的核心在于擠出裝置，包括料斗、螺旋送料器和可互換的噴嘴。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這些關(guān)鍵部件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以適應(yīng)水泥基復(fù)合材料的特性。他們?cè)O(shè)計(jì)的螺旋送料器長600毫米，螺距48毫米，能夠在保證送料率的同時(shí)提高擠出精度。而且還開發(fā)了矩形和圓形兩種不同形狀的噴嘴，以滿足不同建筑結(jié)構(gòu)的需求。測(cè)試顯示，矩形噴嘴在打印穩(wěn)定性和層間粘合方面表現(xiàn)更佳，能夠穩(wěn)定堆疊多達(dá)12層，而圓形噴嘴最多只能穩(wěn)定堆疊8層。




研究團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于材料配方，他們測(cè)試了三種不同的水泥基復(fù)合材料，其中表現(xiàn)最佳的是CSSAW配方——一種結(jié)合了水泥、細(xì)砂、細(xì)土、添加劑和水的混合物。普通水泥材料流動(dòng)性不足或者強(qiáng)度不夠，無法滿足3D打印的需求，為了應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，研究人員添加了細(xì)土和聚羧酸醚超塑化劑，顯著改善了材料的流動(dòng)性和形狀保持能力。



測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，CSSAW材料在30分鐘后仍能保持27厘米的坍落高度，比基準(zhǔn)配方提高了92.8%的流動(dòng)性，形狀保持能力提升了三倍。這種材料能夠成功堆疊11層而不會(huì)塌陷，展現(xiàn)出優(yōu)異的打印性能。除了硬件和材料，研究人員還優(yōu)化了打印參數(shù)。通過反復(fù)測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)25毫米/秒的打印速度和10毫米的層高最適合高質(zhì)量打印。一開始他們嘗試30毫米/秒的速度和20毫米的層高，但打印質(zhì)量不理想，層填充不完整。降低速度和層高后，打印質(zhì)量有了顯著提升。在優(yōu)化的條件下，研究團(tuán)隊(duì)成功打印出了六邊形和波浪形結(jié)構(gòu)，證明了系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。



未來展望
這項(xiàng)研究為建筑3D打印技術(shù)在資源有限或偏遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)用提供了新思路。由于系統(tǒng)使用當(dāng)?shù)乜色@得的材料和簡(jiǎn)單的機(jī)械部件，大大降低了建筑3D打印的門檻和成本。研究團(tuán)隊(duì)表示，未來的工作將集中在進(jìn)一步優(yōu)化材料配方和擠出機(jī)制，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。他們還計(jì)劃探索更多可持續(xù)材料的應(yīng)用，以減少建筑業(yè)對(duì)環(huán)境的影響。

隨著技術(shù)的不斷完善，建筑3D打印有望在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的應(yīng)用，為解決全球住房短缺問題和提高建筑效率提供新的解決方案。也許有一天，我們真的可以像打印文檔一樣，輕松地"打印"出一座房子！
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-025-02860-9