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3D打印技术在市政工程中的研发和应用

2020年8月15日

王香港南京嘉翼数字化增材技术研究院有限公司

南京绿色增材智造研究院有限公司

“第二届国际模块化集成房屋（建筑）技术及应用研讨会”

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主要内容

3D打印技术介绍

建筑3D打印技术的市场和研究基础

应用案例

结语

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Method

Part 1

3D打印技术介绍

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1.1 3D打印发展时间轴

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1980

1990

2000

2010

1992:C.R.Dechard选择性激光烧结工艺（SLS）1994:Emanual Sachs三维印刷工艺（3DP）1997:Joseph Pegna尝试将3D打印用于建筑工程1998:Behrokh Khoshnevis发明Coutour Crafting工艺

1860:Francois Willeme申请Photosculture专利1892:Blanther申请分层制作三维地图模型专利1896:Charles Hull立体光固化成型工艺(SLA)

1988:Michael Fegin分层实体制作工艺(LOM)

1988:Scott Crump熔融沉积成型工艺(FDM)

2010:首辆3D打印汽车Urbee

2012:领先企业Stratasys和Objet合并2014:盈创发布首批3D打印建筑2015:连续液态截面制造技术(CLIP)

2000:Objet更新SLA技术，大幅提高精度2007:Richard Buswell发明3D Concrete Printing工艺2008:开源桌面级3D打印机RepRap发布2009:Enrico Dini发明D-shape工艺

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1.2 3D打印发展史

3D打印的发展过程，简单地可以理解为：19世纪的思想 20世纪的技术 21世纪的市场

这与产品创新的理念不谋而合：满足人们需要、达到技术水平，具有商业价值。

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1.3 3D打印的优势和挑战

3D打印

优 势 挑 战

设计自由：3D打印技术可以适用于几乎任何形状而不受限制

不需模具：零件的3D打印全过程均不需要额外模具

节约材料：由于是近净成型加工工艺，它比机械加工产生的废料少

通用性：容易改变设计和复杂性

零件优化：没有设计限制意味着零件可以制造的更轻、强度更高

表面处理：最佳的表面粗糙度需要一定的后续处理工艺

大批量制造时生产率偏低

高打印机成本：高端打印机需要投入大量的资金，价格昂贵

材质和尺寸的限制：不同的3D打印机之间有限的通用性，使材料的系统性受到限制

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建立对3D打印技术的性能评价体系

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1.4 3D打印行业发展应用统计分析

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机动车, 31.70%

消费品, 18.40%商业机器, 11.20%

医学, 8.80%

学术, 8.60%

航天, 8.20%

政府/军队, 5.50%其他, 7.70%

机动车 消费品 商业机器 医学 学术 航天 政府/军队 其他

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1.5 3D打印工程全球化与发展趋势

工程从本地化转化为全球化

工程师再世界任何地方都可以变得有效和高效

太空制造不再是梦想

定制产品按需生产

允许人们把创造力转化为现实

个人3D打印设备：一种标配的家庭设备

3D打印推进医疗技术并救助生命

通过CAD数据的传输，在月球表面使用3D打印设备来打印产品

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Method

Part 2

建筑3D打印技术的市场与研究基础

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2.1 建筑3D打印工艺

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D-Shape (Dini等)

Concrete Printing

(Buswell等)

Contour Crafting

(Khoshnevis等)

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2.2 市场需求及容量

中国政府非常重视对3D打印行业的支持，

2015年《中国制造2025》明确对3D打印行业重点

支持和发展，顺应国家及地方政府大力推进3D打印

发展进程的政策导向，未来五年3D打印市场总额可

达2000亿元，将是3D打印行业的爆发式增长期。

全球市场容量预测

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3D打印全球市场历程

1988年第一台3D打印机出现

1997年3D打印市场达到10亿美元

2017年3D打印市场预计114亿美元

2015年3D打印市场达到20亿美元

2022年3D打印支出预计227亿美元

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2.3 建筑3D打印技术优势

智能程序控制

少人工

绿色环保

高强复合保温

结构和造型都是由计算机图纸产生数控程序，通过

建筑3D打印机实现，不需要模具，所以成本低廉。

基本实现自动化，只有少量的开机人员和修配人员，

人工成本大大减低。

现场的建筑垃圾可以粉碎后，成为原料，进行小区

和景区的公用设施和景观构件的3D打印建造，固废

原地部分再利用，倡导绿色建筑和循环经济。

构件性能可根据工程需求从材料到打印工艺进行优

化设计。

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2.4 建筑3D打印流程

效果图设计 建筑图设计 施工图深化 程序设计

构件打印 构件安装 建筑体装修 建筑体装修

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2.5 建筑3D打印行业

大型3D建筑打印机，未来主流的建造方式

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2.6 科研平台

南京绿色增材智造研究院，是南京市2019年第一批备案新型研发机构，依托东南大学混凝土及预应力混凝

土结构教育部重点实验室，由南京江北新区产业技术研创园管理办公室、东南大学张亚梅教授团队以及南京嘉

翼数字化增材技术研究院有限公司三方共同组建。研究院专业从事新材料、绿色增材3D建筑打印领域的研究及

其应用和示范工程。

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2.7 行业定位

以3D打印建筑为核心的高端智能建筑装备科技公司

3D打印设备研发制造

固体废弃物资源化利用技术研发应用

3D打印混凝土材料研发生产

3D打印建筑工程示范落地

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2.8 技术实现

南京嘉翼数字化增材技术研究院有限有20多年的高端装备制造经验基

础，集团内四家高新技术企业，先后承担了国家十三五重点研发专项、国家

创新基金项目、江苏省重点领域质量攻关项目、南京市成果转化项目等数

十项科研项目。公司研发制造的五轴联动加工中心、工业机器人、3D建筑打

印机获得了江苏省首台套重大装备及关键部件、江苏省市重点推广应用新产

品、江苏省高新技术产品等认定。拥有授权专利100多项。

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办公场所

3D打印构件生产车间 桁架式3D打印机

3D打印机生产车间 科研型3D打印机 单臂3D打印机

2.8 技术实现

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2.9 核心团队

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张亚梅 东南大学材料科学与工程学院教授、博

士生导师、加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）兼职

教 授 ，江苏省先进土木工程材料协同创新中心副主任 ，

南京绿色增材智造研究院院长，中国硅酸盐学会固废

分会建筑固废专委会主任委员，中国土木工程学会再

生混凝土分会副主任委员，ACICC理事，SAC注册

ISOTC71专家，中国混凝土与水泥制品协会预制混凝土

构件分会专家委员;负责或参与国家自然科学基金项目

、973项目子题、中日政府间科技合作项目、重大工程

技术攻关项目及企业合作项目等40多项。

李 进 南京绿色增材智造研究院副院长、职业经

理人，嘉翼公司董事长，荣获“中国工业经济优秀人

物”、“中国工业经济十大杰出青年”、“321人才培

养计划”等荣誉。主要研发制造高端装备，包括：高

档数控设备，工业码垛机器人，五轴联动数控加工中

心等，其中KPRT－303030 3D打印机，并被评为 江苏

省首台套重大装备及关键部件。

潘金龙 东南大学土木工程学院教授、博士生导

师，江苏省杰出青年基金获得者，混凝土及预应力 混

凝土教育部重点实验室新材料与新型结构研究中心主

任，先后主持国家十三五重点研发计划课题、 973重

大基础研究计划子课题、国家自然科学基金项目、江

苏省自然科学基金项目、教育部科学技术研究项目、

教育部博士点基金项目，中冶三五重大专项等十多项。

2011年获得教育部科技进步一等奖。2012年 获得国家

科技进步二等奖。

王香港 南京绿色增材智造研究院有限公司总工

程师、职业经理人，东南大学博士研究生，荣获“科

学技术二等奖”、“区级劳动 模范”、 “江苏省文明

职工”、苏州市“百佳文明职工”等荣誉。 参与JC/T

2163-2012 《混凝土外加剂安全 生产要求》、JC/T

2389-2017《预拌砂浆用保水剂》两项建材行业标准

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2.10 3D打印混凝土相关标准

1. “3D打印混凝土力学性能试验方法” ，东南大学和河北工业大学主编

2. “3D打印混凝土拌合物性能试验方法”，河北工业大学和东南大学主编

CCPA 团体标准

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2.11 固废再利用

建筑垃圾“终极”解决方案

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Method

Part 3

应用案例

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应用案例

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3D打印智能公交站台

24www.nanjingiam.com

江北新区研创园体育场

应用案例

25www.nanjingiam.com 江北市民游客服务中心

应用案例

26www.nanjingiam.com无机仿生石材3D打印

应用案例

27www.nanjingiam.com

3D打印混凝土防疫方舱

应用案例

28www.nanjingiam.com

上海热带风暴（迷宫）

应用案例

29www.nanjingiam.com上海苏州3D打印河道护坡

应用案例

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3D打印欧式窗台 坐凳 坐凳 花鱼池 植物墙 栅栏

步道 字凳 花格窗 桥栏 花箱 坐凳

3D打印建筑小品

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应用案例

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小型房屋建筑

应用案例

Method

Part 4

结语

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建筑3D打印现状

3D打印技术具有强大的快速成型能力，尤其体现在建造非线性复杂造型建

筑；

3D打印技术已具备打印简单建筑房屋的能力，并表现出巨大的应用潜力；

3D打印建筑具有明显的分层特性，表现出显著的正交各向异性。需要根据建

筑物实际受力特性选择合适的打印方向；

3D打印技术与BIM技术和建筑工业化密切相关、相互促进；

3D打印技术不会取代传统建筑技术，而是现有体系的有益补充；

3D打印技术应用于建筑工程机遇与挑战并存，需要多个行业资源、技术的共

同支持，从而促进其在工程实践中的应用与推广；

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建筑3D打印的挑战与机遇

材料多样性；

缺乏材料设计方法；

性能各向异性；

耐久性能受打印工艺的影响明显；

配筋难题；

各种测试方法及相关标准缺乏；

结构性能研究缺乏；

……

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谢谢聆听!

王香港Tel: 18115841582

Email：xgw_0711@163.com

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