正是由于现在出现了各种不同的快速固化材料,才使得3D打印应用于建筑业成为可能。对于新型材料的研发,这也是目前面临的最大挑战,现有的3D打印应用中成型使用的材料仍然不是很多。目前3D打印成型的主要材料是有机物,如利用尼龙、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)以及高密度聚乙烯(HDPE)等热塑性材料添加一些特殊成分后制成,这些有机材料通过激光的能量在高温下熔融然后凝结从而完成了打印,塑料由流态变成固态过程中,容易被氧化导致分解等不良反应,而且在打印过程中会释放出难闻的有害气体,如果气体被排放出来,对环境和人体造成不利影响,所以一般整个打印过程都是放在密闭的空间内完成,并且要求工作环境内氧含量尽可能的降低,目前一般塑料3D打印的参数要求氧含量低于5%,使用这些材料打印时,要不断向机器里面充填氮气,防止氧气的进入;此外,有机材料对打印过程中的外部条件要求高,同等重量的成本也比较高,相对于建筑材料的高承载能力,此力学性能不足,用有机材料成型的建筑宜居性差,从原理上分析用此种材料打印房屋是不现实的,一定程度上限制了3D打印技术的应用,不过作为局部结构件是没有问题的,在下述章节中提到的模型样件即是很好的使用案例。
现有的普通使用的水泥基材凝结时间太长,一般混凝土的初步凝结时间约为3小时,最终凝结时间约为10~12小时,如此则不能满足3D打印过程中材料在短时间内快速凝结的使用要求;且混凝土一般呈区间流动性,没有瞬态触变性能,无法满足3D打印过程中的垂直叠加性能,所以普通的水泥基材无法作为3D打印材料来使用。
首先从水泥材料性能上来考虑,需要选择硫铝酸盐水泥而不能采用普通硅酸盐水泥,从成分上来分析,硫铝酸盐水泥以石灰石、铝矾土为主要原料,添加活性材料经高温煅烧得到以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物的熟料,再以混合了定量的石膏和混合材料磨合制成。分析得知硫铝酸盐水泥凝结时间很快,基本能满足3D打印快速叠加的需求。这主要是因为水泥矿物中无水硫铝酸钙可以很快发生水化反应,迅速形成大量溶解度较低的水化物--高硫型水化硫铝酸钙(钙矾石),同时与另一矿物质硅酸二钙水化后生成Ca(OH)2和水化硅酸钙,两矿物按下式水化:这样的快速固化材料2h内即可达到10~20MPa的抗压强度,3天后抗压强度为40~50MPa,28天后抗压强度为50~60MPa,材料的初步凝结时间一般为20~50Min,凝结的终止时间集中在30~60Min,这样才可以保证打印的墙体在很短的时间内就具有可搬运及组装的应用性能。针对建筑实体应用3D打印技术来打印一定要求材料粘结性能非常好、材料的形态稳定,同时也要有较好的流变性从而可以快速挤出成型,这样打印出来的建筑物才能具有很好的体积形态,且满足建筑3D打印施工时的持续性和高强度的需求,才能使得建筑安全可靠且耐久性更好,这样才能在建筑房子上直接使用3D打印技术。