美国工程院院士:建筑3D打印未来可期

对话美国工程院院士、南加州大学教授比赫洛克·霍什内维斯

2019-12-12 13:35:10

  ■本报记者 吴跃 袁岚

  近年来,随着3D打印技术的不断完善,越来越多的物品由3D打印完成,建筑3D打印技术也在这种环境下得到了长足发展。提到建筑3D打印技术的发展,有着“建筑3D打印之父”之称的美国工程院院士、南加州大学教授比赫洛克·霍什内维斯(BehrokhKhoshnevis)就是其中一位推动了整个行业发展的重量级人物。

  据了解,霍什内维斯教授于1994年开始了对轮廓成型工艺的设计和研发,1996年获批第一个发明专利。这项技术用加载3D打印系统的大型机械装置直接打印建筑物,不仅在2006年被美国的ModernMarvel频道评为全美当年最佳25项发明之一,还让轮廓成型工艺在美国的科技领域受到广泛关注。本次能对话到霍什内维斯教授,得益于河北工业大学副校长马国伟教授组织召开的第二届建筑3D打印国际会议。作为嘉宾出席并作精彩演讲的霍什内维斯在会议间隙接受了《中国建材报》记者的采访,从3D建筑打印专家视角讲述了行业的现状,展望了未来的发展。

  记者:请问您如何看待3D打印技术在建筑中的应用?

  霍什内维斯:建筑3D打印是一项颠覆性技术,颠覆性技术的要点在于其先进性,是之前从未出现过的。例如在电报盛行的时代,电话的出现就具有颠覆性。与电报相比,电话不必将内容转译成电码,极大地方便了沟通,更易于被大众接受。因此,大家都觉得电话投入使用速度会非常迅速,但是事实并非如此。从电话技术出现到第一部电话投入使用,中间隔了20年。为什么?原因在于当时基础技术难以支撑电话的使用,毕竟那时候甚至连电都没有。那个年代打电话的过程也相当周折,首先需要向对方发电报,然后去电报站才能打电话。因此,电话这项技术在当时并没有激起人们的广泛关注。建筑3D打印技术也是一个非常吸引人的概念,而且正在以前所未有的速度发展,但全面推广这项技术需要完备的配套体系,而监测体系就是其中之一。一般情况下,建筑物建造过程中会有专职人员检测施工过程中的各个环节是否符合要求。而建筑3D打印技术虽然可大大缩短建筑工期,但目前并未出台相应的监测体系去适应快速建造的节奏。而且建筑物3D打印过程中,要求短时间内准备大量材料,这就对打印的混凝土材料和打印过程提出了特殊的要求。

  针对以上问题,为了让建筑3D打印这项技术得到官方和大众的肯定,同时也为了推动这项技术的广泛应用,目前我们公司花了大量的时间和精力开展了一系列有意义的研究工作。虽然,如今采用建筑3D打印技术仅实现了示范性的小型桥梁和建筑物建造,但我们相信任何颠覆性技术的真正应用都需要一定时间,建筑3D打印技术也将如此。

  记者:您觉得3D打印建筑的应用前景如何?目前在实际应用中还有存在那些问题?

  BehrokhKhoshnevis:建筑3D打印技术的应用需要循序渐进。目前,虽然有人已经作了有意义的尝试,但它目前并没有达到可以商用的地步。在实际应用过程中,这项技术还会存在很多问题。例如,打印材料的收缩变形问题,这个问题在实验室可以通过调整材料配方解决,但是用户并不想在施工现场解决这个问题,因为这样不仅浪费时间,还可能会影响建筑物美观。因此,这项技术还处于试验阶段,需要进一步完善。

  虽然现在这项技术还处于只能建造小型建筑物的阶段,但是我相信,不久的将来,随着打印材料和打印工艺的改进,建筑3D打印技术将实现商用,市场前景广阔。

  记者:能不能简单介绍一下轮廓成型工艺?

  BehrokhKhoshnevis:它是一台可以取代建筑工人的巨型机器,打印喷头能根据计算机指令打出混凝土,迅速建造房屋。轮廓成型工艺可以让建筑物与3D模型保持精确的一致,质量主要由机器控制,排除不可控的人为因素,可实现建筑师的各种设计,不再是单调的复制品,每一所房子模型都可以自定义,还可以大大提高建筑效率。除此之外,轮廓工艺还可以削减建造成本,让数百万流离失所者有可能住上房子。

  另外,虽然轮廓成型工艺已面世多年,但在推广的过程中我们仍在不断改进。我们的员工一直致力于对打印机的不断完善,避免出现前面提到的种种问题,让打印机更加适合现场实用。

  记者:众所周知,建筑3D打印都是一次成型,对于其中不可逆问题您是如何看待的?

  BehrokhKhoshnevis:这是一个很好的问题。小规模打印过程中,材料或是设备若是出了问题,很难修复这部分,只好放弃重头再来。但是,在大规模打印时,例如,在建造一栋房子,99%已经完成,接下来的施工过程中出了这种状况,不可能放弃整栋房子,必须找到解决办法。我们也针对这个问题作了很多努力,探索出以下解决途径。其中之一就是建立预测体系,通过安装智能传感器,预测打印过程中会出现的潜在问题,如预测材料的非均质、离析等问题。这样一来,在出现问题前即可停止打印,将有问题的材料取出,重新导入新材料。但是,有些问题却很难预测,例如打印机喷头的疲劳破坏问题。出现这种问题后,就会有一层异常材料,带来以下两个问题:一是如何修复这层异常材料;二是如何重返打印位置,衔接打印过程。这两个问题都将通过技术手段解决。3D打印机在将来需要更加可靠,打印材料的质量也应更加可控,只有这样才可以大大降低打印失败的概率。

  我们都知道,在飞机使用早期坠机事件时有发生,飞机旅行是很危险的事情,大众比较恐惧乘坐飞机。但是现在,随着飞行技术的成熟,飞机失事概率大大降低,乘坐飞机旅行已经非常普遍。3D打印也与此类似,在技术发展早期问题重重,如材料问题。采用传统的浇筑工艺施工时,大量的混凝土一次浇筑模板中,混凝土的配比误差对整体质量影响不大。但是,采用建筑3D打印技术时,打印工艺更加精细,对材料的要求也更加严格,材料通过喷头成型,配合比稍有误差就会出现问题。为解决这一问题,我们一直在寻找合适的材料,这期间遇到了很多困难,后来我们意识到需要一个全新的3D打印建筑材料供应体系。

  因此,建立完善的3D打印建筑材料质量控制体系和智能建造体系是未来建筑3D打印技术的发展方向。

  责编:张文斋 审核:王怡洁