D打印技術正以驚人的速度，徹底顛覆了傳統的建筑模式。建筑師和工程師們，能夠像魔術師一樣，通過層層精準的打印，快速構建出復雜多變的建筑結構。
俄羅斯Apis Cor團隊在2017年的壯舉嗎？他們僅用了24小時，就像變魔術一樣，打印出了一整棟房子。
如今，在我們中國河北的武家莊也有一幢這樣的雙層建筑了。
3D打印便宜又快捷，未來能利用在農村幫助老人建別墅嗎？這些供人居住的3D打印房屋，安全性牢靠嗎？
建筑界迎來革命：3D打印技術已能“砌”起大樓？
中建股份技術中心和中建二局華南公司聯手，成功打造了全球首例，原位3D打印雙層住宅。這座面積達230平方米的住宅，主體結構僅用時3天。
據測算，采用3D打印技術可以節約30%至60%的建筑材料，縮短50%至70%的施工周期，并減少50%至80%的人工成本。
這房子到底是怎樣“打出來”的呢？
其實，“打印”這個說法只是一種形象的比喻，真正的3D打印建筑技術是一種利用計算機控制的機器，通過將建筑材料（如混凝土或其他適合打印的材料）逐層堆積，逐層打印出建筑物的新興建筑技術。
首先，設計師或工程師利用計算機輔助設計（CAD）軟件創建建筑物的三維模型。這個模型包含了建筑物的所有細節，包括整體結構、內部布局和外觀等。
接下來，建筑模型被切片成數以千計的水平層，每一層具有特定的打印路徑，這些路徑決定了打印機在每一層上如何堆積材料。3D建筑打印機與傳統3D打印機類似，但規模更大，可以容納更大量的建筑材料，如混凝土或特殊設計的建筑材料。這些材料通過噴射、擠壓或方法，被精確地堆積和固化。
打印機按照預定的路徑，逐層堆積建筑材料，直到整個建筑物的結構完成。每一層的打印材料與下一層相互粘結，形成堅固的整體結構。在打印過程中，可以集成必要的附加元素，如管道、電線和其他設施。這些元素通常在設計階段就已經考慮到，并在適當的位置預留空間。
3D打印建筑技術的精髓，還在于材料科學與精準控制。為了構筑起堅固耐用、歷久彌新的建筑，所選用的打印材料，必須經過層層篩選與精心調配。工程師們巧妙地將水泥、骨料（如石子）、添加劑以及水這些“基礎食材”按黃金比例混合，提升混凝土的抗壓強度和耐久性，提高整體的承載能力。
中國農村地區地域遼闊、人口眾多，對住房的需求既多樣又迫切。然而，傳統的建筑方式往往面臨人力、物力、時間等方面的諸多挑戰，成本高昂且效率低下。
清華大學徐衛國教授團隊在河北武家莊，為一對70后鄉村夫婦建造了一棟3D打印住宅。這一項目使用了“機器人3D打印混凝土”技術，整個打印過程僅用了160小時，約兩個星期就完成了建造。該住宅不僅堅固耐用，還通過了抗震測試，具備良好的保溫性能，夏天保暖，冬天保冷。
這座占地106平方米的住宅堅固耐用，包括簡易的室內裝修在內，造價約為2000到2500元每平方米，總成本約為20萬元，性價比之高出人意料。打印過程中自動化程度高，減少了人力成本的投入。總成本遠低于傳統建筑方式，極大地降低了農村居民的住房負擔。
在湖北黃石臨空經濟區黃崗村國家級新農房試點項目中，建筑師引入了先進的3D打印技術，采用懸臂式建筑3D打印機器人。懸臂式結構使得機器人，能夠在垂直墻面上進行操作，提高了施工的精確度和靈活性。相比傳統的施工方式，節約30%到50%的建造成本，也減少了施工時間。
除了顯著的經濟效益外，3D打印技術還提供了更大的設計自由度和定制化能力。由中建三局一公司承建的湖北省鄉村振興重點項目，應用混凝土3D打印建筑技術建設的新型農房正式交付。該項目包括多棟三層小樓，外觀設計美觀，主體結構采用裝配式鋼框架結構體系，結構預制率達到90%以上。
關于3D打印建筑技術，一個常見的疑問是：直接使用水泥打印而不加傳統鋼筋，這樣的建筑強度是否可靠？其抗震性能又如何，特別是在中國地震頻發的地區？
實際上，3D打印在建筑領域的應用，遠不止于速度和成本效益，它還通過精細設計與材料創新，確保了建筑的堅固與耐久性。
首先，3D打印技術賦予了建筑師和工程師前所未有的設計自由度與精確度。在設計階段，他們就能利用先進的計算機模擬技術，對建筑的抗震性能進行詳盡分析。這意味著，通過預測建筑在地震中的表現，設計團隊可以靈活調整方案。
比如3D建筑師可以增加墻體厚度、引入額外的支撐結構，或優化建筑形態，以確保建筑在地震中保持穩定，宛如磐石。在材料選擇方面，3D打印技術同樣展現出了其獨到之處。
從混凝土、聚合物到復合材料，這些材料均經過精心挑選，以其高強度和高韌性著稱。它們能夠在地震發生時有效吸收和分散能量，減少建筑受到的損害。特別值得一提的是纖維增強混凝土（FRC），這種材料通過添加纖維成分，顯著提升了混凝土的抗拉強度和韌性。
因此，采用這些先進材料的3D打印建筑，在抗震能力上無疑達到了新的高度。3D打印技術在建筑領域的另一大亮點，在于其能夠實現建筑構件的一次性整體成型。這一特性，極大地簡化了傳統建筑中的復雜接縫與連接工藝。
與傳統建筑方式相比，3D打印建筑的結構更為統一，減少了潛在的弱點，從而顯著增強了其抗震性能。因為整體性強，能量在地震中的傳遞路徑更為連續，減少了因接縫斷裂，而導致的結構破壞風險。
此外，3D打印技術還展現出了強大的兼容性，它能夠與其他先進的抗震技術無縫結合，共同提升建筑的抗震能力。例如，基礎隔震技術如同為建筑安裝了一個高效的“減震彈簧”，在地震發生時，能夠有效吸收和分散地震波的能量，使建筑保持相對穩定。
而阻尼器則作為另一項重要的減震裝置，通過其內部機制消耗地震能量，進一步減少建筑受到的震動影響。在這樣的基礎上，結合上述抗震技術的綜合應用，3D打印建筑在地震多發地區的抗震表現尤為出色，成為了居民安全居住的堅實保障。
在廣大農村地區，由于勞動力資源豐富且價格低廉，傳統砌磚建筑成為許多家庭的首選。一間簡單的三間平房，在合理規劃和設計的前提下，十來萬元的成本就可以實現。相反地，3D打印建筑作為一種新興技術，雖然展現出諸多創新優勢，但初期投資成本仍高居不下。
與傳統砌磚建筑相比，3D打印建筑的造價往往更高，這首先歸因于高昂的設備費用。一臺先進的建筑3D打印機不僅價格昂貴，還需要專業的技術人員進行操作和維護。目前由于3D打印技術尚處于快速發展階段，材料供應鏈尚未形成規模化效應，導致定制化材料成本相對較高，進一步推高了建筑成本。
然而，3D打印建筑在材料利用上的高效性，是其不可忽視的優勢。通過精確計算和控制，該技術能夠最大限度地減少材料的浪費，在一定程度上抵消了部分成本。而傳統砌磚建筑在環保、施工效率等方面還是存在諸多不足。施工過程中產生的建筑垃圾難以避免，且施工周期長、對人工依賴度高。
當然，3D打印建筑還沒有砌磚的便宜這一說法，在一定程度上是成立的。但這并不意味著3D打印建筑沒有發展前景或優勢。隨著技術的不斷進步和普及，以及規模效應的逐漸形成，3D打印建筑的成本有望逐漸降低，并在未來展現出更加廣闊的應用前景。
3D打印建筑技術，在設計和施工階段，比傳統砌磚建筑遵循更為嚴格的建筑法規和安全標準。打印材料的選擇和工藝流程，也都經過嚴格的實驗室測試和安全認證。我們有理由相信，3D打印建筑技術建造出的房屋和建筑物，能夠安全可靠地使用。3D打印技術在中國建筑領域，正逐步展現出多方面的積極影響。
參考資料：
打印建筑技術與案例 上海科學技術出版社 2016
3D打印一座城 上海科學技術出版社 2017
#尋找熱愛表達的你#
果有這樣一個盒子，它可以復制你看到的任何東西，包括它自己，還能將你幻想中的所有東西變成實物，你會懷疑嗎，這不是魔術也不是童話，這就是3D打印機。
圖片來源：pixabay
超級英雄，卡通公仔，古圣先賢這些像真度高，造型精致的模型都能3D打印出來，3D打印技術早已經被形容為第三次工業革命，將顛覆傳統的制造業，3D打印出來的物品一次次的讓人們驚訝，讓全世界都為之振奮，這不最近又稱能用3D打印機打印出金剛石材料。
金剛石材料現在也可以打印了，金剛石可是世界上最堅硬的物質之一啊，它是工業上各種耐磨工具的關鍵部件，由于其加工難度大，很難加工成復雜的形狀，如果能夠打印出這種復雜的金剛石材料，就可以將這種超硬材料打印出各種復雜的形狀，應用范圍將更加廣闊。
據報道Sandvik(山特維克) 這家公司推出了，可以3D打印出金剛石的復合材料，利用該材料打印出來的金剛石，具有金剛石該有的物理特性，利用這種材料可以根據要求打印出許多定制形狀，未來可能將在航空航天，汽車，電子等行業中使用這種材料。
金剛石也就是我們所說的鉆石的原身，是一種由碳元素組成的礦物，與鉛筆芯的主要成分石墨一樣，都由碳原子組成，但結構的差異讓石墨在莫氏硬度等級中排列最低，而金剛石是最高的，造成這么大的差距就是在形成過程中壓力和溫度不同。
隨著科學技術的發展，以前要幾十億年才形成的天然金剛石，現在用機械制造只需要幾天時間就能造出人造金剛石，只要用機器創造出相應的溫度和壓力條件就能合成出金剛石，現在中國生產的工業級合成金剛石年產量占世界份額的90%以上。
3D打印技術經過多年的發展，我們見到過或者已經在使用它打印出來的各種工藝品，日常用品，建材等，現在各行各業中都有它的身影，也在慢慢改變一些傳統行業，改變我們的生活。
這項一次次讓人們驚嘆的技術，其實已經有了上百年的發展歷程，如何將一個虛擬的物體快速變成實物，早在一百多年前的美國，就有人產生了這種想法，他們開始研究照相雕塑技術，渴望能像照相洗印一樣簡單的獲得一個立體的實物，雖然這一想法在當時并沒有得到實現，但這已經成為3D打印技術發展的開始。
上世紀八十年代，隨著二維打印和電腦輔助設計CAD技術的成熟，讓3D打印成形成為了可能；1984年美國人利用光敏液態樹脂在紫外線照射下固化的方式，制造出了第一個實物，第一臺3D打印機由此誕生。
圖片來源：pixabay
就如同做米飯需要大米一樣，3D打印也需要最主要的元素那就是材料，用來打印的材質按形態可以分為固體，粉末，液體，還可以分為塑料，金屬等不同材質。
一類是比較常用的材料主要有ABS，PLA，PETG，HIPS，這些塑料類材料的熔點低，它們在外觀上的區別不是特別大，但在材料的功能上區別卻很大。
這一類材料打印成形的方式叫熔絲沉積，它是將絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來，按照電腦的指令噴擠在制作面板上，經過低溫固化層層堆積，最終打印出成品。
另一類是金屬類材料，它們在某些方面的特性就特別明顯，金屬類材料打印成型給它的材料限定了極高的門檻，粉末材料必須達到微米級別，而且還要經過混合搭配保證它的強度，精度和粘合度等各方面性能，
一些金屬類已經可以使用3D打印了，如鈦合金，不銹鋼等，都是通過粉末材料打印，具有熔化燒結粘合的特性，打印物品時由上方的激光頭發射出高溫的激光束，進行選擇性的燒結，粉末迅速熔化粘合成形，工作臺下降鋪粉打印直至完成。
能夠打印出金剛石材料的工藝，也應該是利用金剛石粉和聚合物材料的漿料，在紫外線照射下逐層堆積成形的，但是打印出來的金剛石還是與天然的金剛石有差別，例如說光澤上就沒有天然金剛石的光澤，所以也就限制了在珠寶行業的使用，看來要想鉆石降價還要再等了。
隨著人們對個性化需求的增加和材料技術的發展，將來每個人都能使用上，通過3D打印技術打印出來的房屋，衣服，食物等物品，3D打印技術究竟將給人類帶來一個怎么樣的未來嘞？不知道下一次它又能打印出什么讓我們驚嘆的物體來。
更多機械，制造，原理 干貨類文章，請關注我們的微信公眾號 制造原理
T之家 7 月 18 日消息，分形工藝在官網公開了 North Pi 的 3D 打印設計文檔，玩家可基于該文檔打造屬于自己的開發板機箱。
▲ North Pi 機箱正面和右側面。圖源 Gamers NexusNorth Pi 于 2024 臺北國際電腦展亮相，延續了分形工藝 North 系列機箱的實木條前面板設計。
▲ North Pi 機箱右側面。圖源 Gamers NexusNorth Pi 開發板機箱三維 105×50×96 (mm)，支持 88×54 (mm) 規格的開發板，可安裝兩顆 4010 規格的前面板風扇。
分形工藝表示，已驗證了 North Pi 同樹莓派 Raspberry Pi 5 和瑞莎 Radxa Rock 4C Plus 兩款開發板的兼容性。
▲ 各部分結構該機箱由 11 種共 17 個部件組成，分形工藝建議玩家采用 PLA 聚乳酸 + 木頭 + 亞克力的材料組合構建。
IT之家在文末附上分形工藝官網 North Pi 機箱頁面鏈接，有興趣的小伙伴可點擊進一步了解：點此鏈接