中國建筑材料科學研究總院：混凝土3D打印如何滿足消費者新需求
隨著人們低碳環保意識的逐漸加強，消費者對個性化、綠色化的需求越來越高。3D打印被視為引領新一輪科技革命和產業變革的核心技術之一，對提高制造業生產線的柔性化程度，以更低成本生產綠色產品，推動制造業生產方式由大規模生產向個性化定制轉變優勢明顯。
然而，在實現滿足消費者新要求的過程中，如何更好地發揮混凝土3D打印的優勢？面臨哪些挑戰？下一步的發展方向是什么？近日，中國建筑材料科學研究總院混凝土科學與工程研究所副所長王振地在接受中國建材報的采訪時分享了相關看法。
混凝土3D打印雕塑《對話》
© 中國建筑材料科學研究總院
問：目前，混凝土3D打印在我國的發展狀況如何？與國外相比存在哪些差距？
王振地：混凝土3D打印自20世紀提出以來，在過去10年取得了快速發展，尤其是國內的進展非常喜人。在學術界出現了一大批研究人員投身于混凝土3D打印的研究，目前國內在混凝土3D打印材料研制、建造性評價、界面結合及結構自動化配筋等方面均有突破性進展，并實現了大型橋梁、房屋、城市園林雕塑、應急設施的3D打印和示范應用；在工業界涌現了一批新興的企業，從事混凝土3D打印的生產和應用，相關打印產品遠銷多個國家和地區，起到了積極的示范作用。整體上我國與國外屬于并跑狀態。最近5年我國在混凝土3D打印方向的研發投入呈幾何級數增加。可以預見，未來5年還將繼續增加。
但我們也應該看到差距，國內混凝土3D打印基本上以擠出工藝為主，對于粉末床打印工藝和其他打印工藝的研究很少有報道，打印工藝相對單一，沒有形成工藝上的百花齊放。而國外在智能動態模板澆筑和粉末床打印工藝方面已經實現了多項實際應用。另外，原創研究少，跟蹤研究多，有組織、公益性質的系統研究少都是當前存在的差距。
問：面對近年來消費者提出的新需求，混凝土3D打印都取得了哪些突破性進展？在個性化和綠色化發展方面3D打印的優勢是什么？圖片
為流浪動物制作的3D打印建筑小品《喵塢》
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王振地：近年來，在認知層面，混凝土3D打印的神秘感正逐步褪去，這與技術的進步和推廣是分不開的。
在技術層面，混凝土3D打印材料逐漸豐富。混凝土3D打印技術的應用和發展，材料是關鍵。材料的好壞關系到可打印性，力學性能、收縮和長期服役性能。目前，國內有利用硅酸鹽水泥基打印材料、硫鋁酸鹽水泥基打印材料、地聚合物打印材料、石膏基打印材料等不同材料體系的成功打印案例。打印材料的多寡極大程度決定了3D打印技術的應用范圍。現有的3D打印材料基本上滿足了建材和建筑領域的絕大部分需求。
3D打印在標準化方面也取得了突破，行業和協會團體標準的立項數量正逐步增加，為3D打印混凝土材料和結構性能的評價提供了很好的基礎，在這一方向上我國比國外稍稍領先。
我國在自動化配筋領域取得重要進展。不同于國外的層間橫向配筋技術，我國的科研院所、高等院校和工程局等機構先后在層間縱向配筋方面取得突破，實現了層間縱向自動配筋，顯著增強了混凝土3D打印的抗拉伸和抗剪切能力。
還有很重要的一點，在我國出現了諸如房屋建筑、橋梁、風景園林、市政雕塑、應急設施等大量的應用示范工程，證明了混凝土3D打印的能力和優點，推動了混凝土3D打印行業的整體進步。
隨著3D打印技術的逐漸推廣與應用，其優勢也得到業內外廣泛認可。3D打印也被稱為“綠色鑄造”“柔性鑄造”技術，不僅能夠實現無模成型，還具有高精度、高細節度、綠色環保的優勢，已經成為助力鑄造產業轉型升級的重要科技力量。
問：您在混凝土3D打印領域從業多年，見證了行業的發展。在這個領域您主要做了哪些工作？這些工作對行業發展起到了怎樣的推動作用？
王振地：中國建筑材料科學研究總院是國內較早開展混凝土3D打印研究工作的單位之一。近年來，團隊主要在混凝土3D打印的一些基礎性工作方面展開了研究。一是研制了滿足建造性要求的3D打印水泥基材料，建立了混凝土可打印范圍，給出了3D打印水泥基材料的設計和組成調控原則，建立了基于貫入阻力的現場可打印性評價方法，指導可打印水泥基材料的組成設計，以避免相關企事業單位開展重復研究。
二是針對傳統直拉和三點彎曲方法評價打印混凝土界面結合強度評價存在的難題，提出了改進型“十字交叉法”，使施加的壓應力在界面處變為拉應力，解決了3D打印混凝土界面結合強度評價難題，并被制定為建材行業標準，為行業的發展作出了公益性貢獻。
三是在國內外率先開發出層間長程連續縱向配筋技術，經配筋驗證，抗彎拉承載力獲得突破性提高，該技術集成了訂書針式、射釘式和垂直插筋式自動配筋工藝，有助于提高混凝土3D打印的整體性和實用性，為混凝土3D打印自動配筋的國際難題提供了中國解決方案。
四是在國際化方面，擔任RILEM TC-276 DFC（水泥基材料數字化制造），RILEM TC-ADC（3D打印混凝土材料與性能評價），RILEM TC-PFC（3D打印混凝土新拌漿體的性能要求與測試）等技術委員會委員，及時將中國混凝土3D打印的技術進步和重大進展在國際上宣傳。
五是作為特邀主編組稿出版《水泥基材料3D打印》專刊一輯，征集了國內外從事混凝土3D打印研究的著名學者的工作，組稿內容涵蓋了3D打印水泥基材料設計、可打印材料探索、流變性與建造性、力學性能表征與評價、應用場景與工程應用案例等前沿研究方向的最新研究進展，并深入討論了阻礙水泥基材料3D打印技術發展的科學問題和技術難題，凝聚了國內杰出科研工作者的心血，對行業具有很高的學術參考價值和工程指導意義。
六是目前正在主編三部建材行業標準《3D打印水泥基材料術語》《3D打印水泥基材料界面結合強度評價方法》和《3D打印水泥基材料收縮性能試驗方法》。主要是當前行業缺乏相應的標準規范，限制了混凝土3D打印的應用和發展，這也是目前比較迫切需要解決的問題之一，也希望更多的專家和學者能夠參與這一公益性事業，多為行業作貢獻。
問：您認為，在滿足消費者新需求方面，目前行業主要存在哪些亟待解決的問題？這些問題對行業發展產生了怎樣的影響？
王振地： 目前最主要的問題是缺乏恰當的應用場景，應用需求不足，導致產業化進展緩慢。一方面是混凝土3D打印的成本和技術成熟度的問題，整體上3D打印混凝土的成本不占優勢，且配筋技術還不夠成熟，應用端的需求動力不足。另一方面，混凝土3D打印缺乏必要的設計標準，在設計端沒有案例或標準規范可以參考，只能在一些非標類的示范性工程上進行應用。
此外，在技術層面，目前自動化配筋還需要繼續進行科研投入，沒有配筋的混凝土3D打印不符合結構設計規范，也難以讓普通大眾接受。
問：在如何實現混凝土3D打印高質量發展，有效滿足消費者新需求方面，您有哪些具體的建議和意見？
王振地：一是加大國家科技層面的政策支持。金屬增材制造領域國家已經有重大專項支持，混凝土3D打印作為增材制造領域一個分支，目前尚未有專項科技投入，“十三五”期間僅在其他專項內進行了散點狀的研發投入，國家科技層面未列入專項支持。建議行業協會進行積極呼吁，統籌國家科技部重點研發計劃，國家自然科學基金委和新材料重大專項，對3D打印混凝土材料基礎研究，關鍵技術集成和工程應用進行全鏈條設計和投入，從國家層面推動混凝土3D打印技術的快速發展。
二是加快混凝土3D打印人才隊伍建設，積極培育原創核心技術。由于混凝土3D打印屬于交叉學科，既需要懂材料學和機械自動化，又需要有良好的計算機背景，目前這種復合型人才還比較缺乏。在教育層面，應在高等院校內開設3D打印課程或專業，培養各類創新型3D打印人才，為學術界和工業界的快速發展提供基本人才保障；在科技層面，應加快培育一批高素質科技創新團隊，形成支撐我國混凝土3D打印領域發展的中堅力量，滿足當前和未來一段時間我國混凝土3D打印行業的發展需求。
三是逐步完善混凝土3D打印的標準評價體系。加快標準體系建設，滿足設計、施工、驗收、實驗室測試和評價等不同階段對技術標準的需求，掃除混凝土3D打印產業發展的障礙，以促進我國混凝土3D打印技術的快速發展和進步。四是積極引導混凝土3D打印的應用端需求，從應用需求端推動發展。著手規劃混凝土3D打印產業的發展方向，重視3D打印的技術研發和基礎研究工作，支持引導配套性的混凝土3D打印應用需求，給予政策和稅收優惠，鼓勵大型企業和施工單位成為拉動混凝土3D打印技術發展的主體，從應用端創造有經濟和技術效益的實際需求，可以大幅度提升混凝土3D打印產業的發展水平。
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