【3D打印高端演講】楊繼全：3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

【導(dǎo)讀】 6月下旬，世界3d打印大會(huì)在青島舉行。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的報(bào)道，詳情請(qǐng)看南極熊報(bào)道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南極熊作為一個(gè)3d打印的專業(yè)媒體平臺(tái)，一直致力于推動(dòng)中國(guó)3D打印行業(yè)的發(fā)展。希望下面的一些內(nèi)容對(duì)大家有所啟發(fā)。


楊繼全：非常抱歉，隔壁有一個(gè)節(jié)目錄制，讓各位久等了。我首先介紹一下我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)所做的一些事情。我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)包括一個(gè)大學(xué)，我是在南京師范大學(xué)做一些基礎(chǔ)性研究和基礎(chǔ)性開發(fā)的，我們有一個(gè)江蘇省的三維打印重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)是面向3D打印產(chǎn)業(yè)做關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的。我們還有兩個(gè)公司、兩個(gè)工廠，也是做3D打印產(chǎn)品、生產(chǎn)以及銷售和服務(wù)的。我們還有兩個(gè)創(chuàng)新中心，一個(gè)是南京市的三維打印創(chuàng)新中心，是做成果轉(zhuǎn)化以及技術(shù)服務(wù)、平臺(tái)建設(shè)的。還有一個(gè)協(xié)同創(chuàng)新中心，這個(gè)3D打印機(jī)的協(xié)同創(chuàng)新中心是把各個(gè)相關(guān)的學(xué)科資源進(jìn)行一個(gè)整合，面向產(chǎn)業(yè)協(xié)同進(jìn)行一些基礎(chǔ)性的技術(shù)研究和開發(fā)工作的。所以總體來(lái)說(shuō)，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在有200號(hào)人跟技術(shù)相關(guān)的。

我今天主要的重點(diǎn)，向各位匯報(bào)一下以及討論一下關(guān)于我們其中做的一個(gè)方向是建筑打印，建筑打印這一塊，我相信各位也不陌生，在這個(gè)領(lǐng)域里面其實(shí)出現(xiàn)的比較晚，也是最近這兩三年左右的時(shí)間，之前更多的還都是一些關(guān)于其他的小型的桌面式的，或者是工業(yè)級(jí)的3D打印設(shè)備。

我主要向各位共同討論一下這幾個(gè)方面，一個(gè)就是建筑打印它的一些特點(diǎn)，另外一個(gè)建筑打印所涉及到的幾個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)以及我個(gè)人認(rèn)為在3D建筑打印領(lǐng)域的一些發(fā)展趨勢(shì)或者需求。我剛才簡(jiǎn)單介紹一下我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)主要的情況，我就不再詳細(xì)介紹了，我們還有一些研究生的工作站，還有幾個(gè)產(chǎn)品的品牌。

這是我們一個(gè)公司其中的研發(fā)場(chǎng)所，我們還有一個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)場(chǎng)所，5000個(gè)平米。這是我們的兩個(gè)工廠，生產(chǎn)各種3D打印設(shè)備，包括桌面級(jí)的小型設(shè)備、工業(yè)化的設(shè)備以及這種大型的設(shè)備。這是我們的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，里面有各種各樣3D打印的設(shè)備，以及3D打印的應(yīng)用成果和案例。右下角的那個(gè)圖你會(huì)看到一個(gè)辟邪，那是南京的象征，只進(jìn)不出，能夠有理財(cái)?shù)脑⒁狻＿@個(gè)是我們打印的，3.5斤重的辟邪，用打印的方式去復(fù)制，表面做舊，跟實(shí)物一模一樣的東西。

我們也取得了一系列的資質(zhì)。

在小型設(shè)備上面我們做FDM系列和SLA系列的小設(shè)備，在市場(chǎng)上已經(jīng)形成了一定的銷量，主要是出口。我們還在彩色3D打印上面，4年以來(lái)一直在做彩色打印設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。它可以在玩具以及對(duì)動(dòng)漫有更好的應(yīng)用。

我們還有一些做UV的，當(dāng)然它的壽命也比較長(zhǎng)，采用的是一種支撐材料和實(shí)體材料相結(jié)合的方式。我們研發(fā)了各種各樣成形的材料，為各種成形工藝提供各種各樣的支撐�；�于前面的研發(fā)工作，我們做了一個(gè)云制造平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)一方面是為那些買不起設(shè)備的用戶提供各種各樣設(shè)計(jì)和制造的服務(wù)，另外希望能夠把現(xiàn)在的這種已經(jīng)購(gòu)買設(shè)備的用戶，它的設(shè)備的效率利用起來(lái)。大家知道很多的高校和科研機(jī)構(gòu)買很多很貴重的設(shè)備，但是設(shè)備的利用率絕大多數(shù)情況下都是空的，怎么有效利用這些設(shè)備的利用率，為社會(huì)，為用戶提供更好的服務(wù)，這是我們現(xiàn)在做這個(gè)云制造平臺(tái)所要做的一個(gè)基礎(chǔ)性工作，我們可以把這些閑置的設(shè)備，通過(guò)我們的云平臺(tái)聯(lián)系起來(lái)作為我們的下端，作為它的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)群。我們要搭建這樣的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和前期的數(shù)據(jù)架構(gòu)，就能夠?yàn)楦鞣N各樣的用戶提供各種各樣的技術(shù)支持和服務(wù)。

我們?cè)谌珖?guó)建了好幾個(gè)科技館，這些都是義務(wù)性的，全年是免費(fèi)的，對(duì)青少年進(jìn)行一個(gè)科普。更重要的是我們希望把這些設(shè)備的資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)，面向廣大的社會(huì)提供各種各樣3D打印個(gè)性化的服務(wù)。

我們?cè)诮ㄖ�領(lǐng)域里做了一部分工作，這工作還在進(jìn)行時(shí)，還有許多需要完善的地方。我們也認(rèn)為在建筑領(lǐng)域里它還有很多的挑戰(zhàn)，但是它的優(yōu)勢(shì)也應(yīng)該比較明顯。首先一個(gè)優(yōu)勢(shì)，它抗沖擊性能和抗震性能比傳統(tǒng)的建筑大幅度增強(qiáng)，因?yàn)槲覀冎��?D打印它從頭到尾變成了一個(gè)零件，是混凝土的，相對(duì)于傳統(tǒng)的這個(gè)建筑來(lái)講，它有很多的磚、混凝土、鋼筋，不同的材質(zhì)組成。首先如果我把一個(gè)建筑看成一個(gè)機(jī)器的話，這樣的一套機(jī)器應(yīng)該是有幾千、上萬(wàn)個(gè)零件組成的，任何一個(gè)零件的損害都會(huì)影響整個(gè)機(jī)器的一個(gè)結(jié)構(gòu)和性能。建筑打印機(jī)就不一樣，從毛坯上來(lái)講只有一個(gè)零件，這一個(gè)零件損壞了才會(huì)影響整體的性能，建筑打印它整體的性能要比傳統(tǒng)的高很多倍，但是怎么實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)力學(xué)結(jié)構(gòu)或者抗沖擊性能，對(duì)于防止實(shí)體建筑來(lái)講，從功能要求出發(fā)，我們達(dá)到這個(gè)要求，就是后面我們要通過(guò)關(guān)鍵核心技術(shù)要解決的問(wèn)題。3D打印它可以自由成形，在整個(gè)結(jié)構(gòu)里面通過(guò)節(jié)省材料的方式，類似于右下角一樣的方式，可以大量的節(jié)省材料。我們可以節(jié)省20%到30%的建筑材料。

第三個(gè)方面，它就可以有更好的保溫的性能和環(huán)保的性能。還有一個(gè)就是對(duì)于很多的設(shè)計(jì)師來(lái)講，怎么去設(shè)計(jì)出和制造出他想要的一種造型的建筑，當(dāng)然這個(gè)本身就是藝術(shù)和功能的結(jié)合體。對(duì)于現(xiàn)在的這種技術(shù)來(lái)講很難做得到。很多的建筑師的夢(mèng)想是一個(gè)造型非常有別致的，讓人看過(guò)就不會(huì)忘記的造型。但是對(duì)于施工方來(lái)講，可能是無(wú)法承受的，或者是無(wú)法施工的。對(duì)于3D打印來(lái)說(shuō)，解決這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)非常容易的事情，因?yàn)?D打印解決的重點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)的形狀的問(wèn)題。所以如果我們通過(guò)建筑打印的這種方式來(lái)去實(shí)現(xiàn)實(shí)體建筑的話，它可以非常有機(jī)地很好地結(jié)合，把一個(gè)工藝或者藝術(shù)給一個(gè)實(shí)體功能相結(jié)合的方式。當(dāng)然，對(duì)于建筑來(lái)講我們很關(guān)心成本問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究和測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的房子跟現(xiàn)在的建筑打印的房子，它的這個(gè)成本是接近的，我想扣除這個(gè)建筑設(shè)備而言，從材料以及施工、工作時(shí)間方面來(lái)講，我想它的成本應(yīng)該是沒有明顯的改變或者明顯的差異化。

左下角這個(gè)圖就是我們現(xiàn)在正在打印的一棟房子，它是別墅的一部分，它是一個(gè)實(shí)體的建筑具備的基本功能，就是居住的功能，結(jié)構(gòu)符合我們現(xiàn)在實(shí)體對(duì)房子要求的功能。我們有一個(gè)小的視頻，關(guān)于建筑打印的工藝流程。


從這個(gè)成形工藝上來(lái)講，它是材料、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、功能完整的一體。

這是一個(gè)示意圖，也是采用了這種普通的噴頭來(lái)噴射這種混凝土的形式，一層層實(shí)現(xiàn)三維打印的。這個(gè)噴頭在做的時(shí)候有多種，有的采用單噴頭，有的采用多噴頭，有的采用另外的這種塑料絲，也有石膏粉等等不同的方式，就是根據(jù)這個(gè)建筑本題所需要的特點(diǎn)去使用的一種工藝方法。

這是我們現(xiàn)在做的那棟房子大致的示意圖，兩只手捧起一個(gè)地球的造型，我們想塑造的概念就是給建筑師一個(gè)夢(mèng)想，只要給他一個(gè)工具，一個(gè)3D打印的設(shè)備，他就可以用自己的雙手托起這個(gè)地球，改變這個(gè)地球。包括這個(gè)事，也是我們希望能夠盡快打印出來(lái)的。但是樹的造型，它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是完全具備結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)用的特點(diǎn)。

現(xiàn)在3D打印機(jī)技術(shù)雖然是一個(gè)新技術(shù)，但是它在繼承傳統(tǒng)的3D打印機(jī)技術(shù)以及工藝的基礎(chǔ)上也有相應(yīng)新的要求。在這幾個(gè)方面，我認(rèn)為建筑打印它現(xiàn)在面臨著幾個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)。第一個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)就是它的結(jié)構(gòu)和功能的一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。我相信在座的有很多是做建筑的、做設(shè)計(jì)出身的，現(xiàn)在市場(chǎng)上還沒有針對(duì)3D打印的一種設(shè)計(jì)軟件，我們用的更多的是平面設(shè)計(jì)圖做平面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，施工圖，但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候根本沒有考慮到材料的問(wèn)題、工藝的問(wèn)題以及結(jié)構(gòu)、硬力分析方面的問(wèn)題。怎么去開發(fā)基于3D打印這種建筑工藝的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這是我想可以跟在座共同探討的問(wèn)題。

第二個(gè)，在建筑打印的領(lǐng)域里，它的這種房子結(jié)構(gòu)往往是非常復(fù)雜的，需要的數(shù)據(jù)量非常龐大，怎么解決大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)處理？我想對(duì)于做機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的或者做傳統(tǒng)的3D打印設(shè)備的這種工程師來(lái)講，它有一個(gè)很深刻的體會(huì)，就是當(dāng)模型的結(jié)構(gòu)程度非常復(fù)雜的時(shí)候，它的數(shù)據(jù)量非常龐大，你處理起來(lái)的話花大量的時(shí)間，甚至系統(tǒng)很難解決，更不要說(shuō)房子，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比我們現(xiàn)在看到的小模型，十幾公分、幾十公分模型的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)量大得多，所以如何能夠有效地解決這種大數(shù)據(jù)量的模型的設(shè)計(jì)和工作量，這是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。我們現(xiàn)在加工的左下角這個(gè)別墅，它的這個(gè)數(shù)據(jù)量是幾百兆、上G的數(shù)據(jù)，普通的計(jì)算機(jī)很難承受得了，而且在運(yùn)算模擬的時(shí)候，在仿真的時(shí)候，在進(jìn)行運(yùn)力分析的時(shí)候往往會(huì)遇到很多的問(wèn)題，這都不是短期內(nèi)靠我們一家或者某一個(gè)工程師能解決的問(wèn)題，這是一個(gè)行業(yè)性的問(wèn)題。

另外這個(gè)建筑模型在分析和優(yōu)化方面，我想現(xiàn)在也是一個(gè)空白，我們知道現(xiàn)在的建筑打印它的這個(gè)模型能不能實(shí)用化，是取決于它的性能，滿足不滿足這種實(shí)用的需求，你怎么能夠在打印之前就考慮到？

我們?cè)谶@方面做了一部分工作，我們認(rèn)為未來(lái)的建筑不是單一材料的，是多種材料組成的東西。所以我們認(rèn)為未來(lái)建筑的設(shè)計(jì)領(lǐng)域里頭就應(yīng)該考慮到多種材料，它有鋼筋，有混凝土，還有管道、電路，這里面各種材質(zhì)的分布跟建筑是有機(jī)的整體，我們可以把它看作系統(tǒng)，由多種有機(jī)的材料完美的整合在一起的。你對(duì)它的一種建模和設(shè)計(jì)，我想這是非常大的挑戰(zhàn)。我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域里面可以借鑒機(jī)械工程方面方面的建模，這個(gè)方面我們做了很多的研究，也積累了大量研究的成果和軟件的設(shè)計(jì)，我想它們本身是相通的。

在3D打印建筑里面它是有機(jī)的整體，不像傳統(tǒng)的制造里面結(jié)構(gòu)往往是分離的，而是有機(jī)的整體，所以如何能夠建立這種材料空間和結(jié)構(gòu)空間有機(jī)的對(duì)應(yīng)，我想這是在我們?cè)O(shè)計(jì)領(lǐng)域里面要克服的問(wèn)題。這是我們做的一部分的探索，我們希望能夠基于現(xiàn)在傳統(tǒng)的3D設(shè)計(jì)軟件支持現(xiàn)在建筑打印的模型，從單色到多色，從單材質(zhì)到多材質(zhì)的建模的過(guò)程，以及從這種最原始的平面的設(shè)計(jì)和工程的計(jì)算，到工程的自動(dòng)化的這樣的結(jié)構(gòu)分析，我想這也是我們?cè)谧龅囊徊糠止ぷ鳌?br />
第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是關(guān)于3D打印技術(shù)的裝備和研究的開發(fā)。大家都知道現(xiàn)在3D打印的設(shè)備往往都是小設(shè)備，它不足以去實(shí)現(xiàn)大工程的建筑物的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，或者是相應(yīng)工藝的處理，必須要開發(fā)出專用的工藝設(shè)備。它其實(shí)就是一種大型的數(shù)控機(jī)床，它的這種設(shè)計(jì)、制造及其工藝，其實(shí)對(duì)于業(yè)界里面是很大的挑戰(zhàn)。我們現(xiàn)在做的設(shè)備最大可以20米，就像這樣的大廳一樣，這對(duì)工程機(jī)械的工程師和設(shè)計(jì)師來(lái)講是非常大的挑戰(zhàn)，如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)和加工，這東西都是在業(yè)界提出來(lái)新的問(wèn)題。當(dāng)然還牽扯到一些工藝的問(wèn)題，是用這種粉末鋪平連接的形式，還是用類似FDM，用塑料絲、混凝土噴射的方式，我想這兩種方式在業(yè)界里面都有一定的應(yīng)用。左邊這個(gè)它是用3DP的方式，右邊那種它是用混凝土，是用噴頭來(lái)噴射的方式。它這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)然還有其他混合的工藝，像剛才說(shuō)到多材質(zhì)、多材料的方式，它的結(jié)構(gòu)比這個(gè)復(fù)雜的多。我們有另外的設(shè)備能夠支持多材料的方式。

第三個(gè)方面遇到的問(wèn)題就是關(guān)于3D打印建筑、設(shè)備還有成形積累的研究，一個(gè)就是解決懸臂的問(wèn)題，比如對(duì)于我們現(xiàn)在右邊設(shè)計(jì)的建筑來(lái)說(shuō)，它的穹頂相當(dāng)于是一個(gè)懸臂的東西，相當(dāng)于沒有支撐，對(duì)于這種如果采用剛才看到的類型于FDM的方式來(lái)說(shuō)，它的這種支撐沒有辦法添加或者很難添加的，這種懸臂的問(wèn)題現(xiàn)在行業(yè)里很難解決，你很難在市場(chǎng)和報(bào)道上看到用混凝土的方式做懸挑或者直接做天花板的，垂直橫平豎直的結(jié)構(gòu)，所以這個(gè)是在行業(yè)內(nèi)要考慮的問(wèn)題。

第二個(gè)就是它本身固化性能的問(wèn)題。在傳統(tǒng)的性能里面，混凝土大家都很清楚，今天澆灌，到明天，24小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間讓它去固化。3D打印里面不允許，幾秒鐘一定要讓它固化，從噴出到初凝狀態(tài)以及到完全固化狀態(tài)是需要經(jīng)過(guò)時(shí)間的，這樣一個(gè)時(shí)間它的利用率有沒有，會(huì)不會(huì)影響你的使用，這都是要研究的問(wèn)題。

下面一個(gè)就是系統(tǒng)的集成問(wèn)題，它包含了很多問(wèn)題，材料、工藝、檢測(cè)、安全問(wèn)題，因?yàn)槭且粋�(gè)施工，它必須有大量安全的問(wèn)題。怎么能夠把這個(gè)建筑裝備去設(shè)計(jì)和加工出來(lái)，還有一些標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。

我想對(duì)于建筑打印，還有另外一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，就是材料本身的問(wèn)題。我們都知道它是每一層每一層疊加的，層層之間承接怎么樣，這是一個(gè)急需要解決的問(wèn)題。右上角是我們做的微觀的分析。

第四個(gè)方面我要簡(jiǎn)單的給各位探討一下，關(guān)于3D打印建筑發(fā)展趨勢(shì)的問(wèn)題。我想趨勢(shì)首先是柔性化的問(wèn)題，這樣一個(gè)打印能適應(yīng)于不同的形態(tài)，包括大的城市雕塑，室內(nèi)的裝飾品，怎么能適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)，首先是整個(gè)過(guò)程要自動(dòng)化，還有就是你結(jié)構(gòu)要做的模塊化，這是大致的一個(gè)模塊化的結(jié)構(gòu)形態(tài)。另外就是實(shí)用性，如果僅僅這樣還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能進(jìn)入產(chǎn)業(yè)的狀態(tài)，它可能不是一個(gè)很有用的東西，一定要解決實(shí)用性的問(wèn)題。我們也打印了相應(yīng)的雕塑，但是這個(gè)雕塑離實(shí)用還有一定的距離，希望共同探討。

第三個(gè)方面就是人文的問(wèn)題，建筑打印它是個(gè)性化的東西，不是解決高樓大廈的問(wèn)題，解決的是個(gè)性化的私人定制的一些問(wèn)題。什么時(shí)候我們可以做到Hobbits的屋子，是一個(gè)景觀而不是雕塑，這是一個(gè)人文建筑，這是一個(gè)目標(biāo)。

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