王振地· 中国建材总院教授级高级工程师
北京市院士专家工作站成果交流专场｜2023年 北京
3D打印大家并不陌生，这些年或多或少地应该听说过一些。在我们的工业领域，3D打印最早应用在一些比较复杂的难制造的领域，比如飞机中空的叶片、叶轮以及中空的流道。这用传统的工艺是很难做出来的，3D打印就可以制造出来。
而在航空航天领域，已经有一些全尺寸打印的无人机，以及现在美国航空局（NASA）正在测试全尺寸打印的金属发动机。这不但能控制成本，同时性能也得到大幅提升。
▲左：3D打印膝关节
右：3D打印口腔种植导板
还有在医疗领域，这些年应用比较成熟的有骨科里的人工关节、手术导板等。值得一提的是，有科学家还打印了人工心脏。大家可不要小看，它是有一定的功能的，有血管，还可以跳动。能够想象，将来对于一些心脏衰竭的病人，它可以很好地实现替代。所以3D打印在医疗领域也显示了很大的潜力。
▲左：3D打印金银首饰
中：3D打印个性化巧克力
右：3D打印鞋子
从和泥到3D打印机
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那回到建筑，3D打印建筑有什么优势呢？
对照下来可以看出来，3D打印省了好多东西。具体有一个统计，在3D打印的全周期内，大概可以减少30%-60%的建筑垃圾，能够减少50%-80%的人工。我们知道将来人工会越来越贵，而且会越来越少。它还可以节约50%-70%的建造时间，所以3D打印建筑体现出了一些很好的潜力和优势。
既然3D打印这么好，那要怎么实现呢？把它看成一头大象，我们如何把大象装到冰箱里去？分成几关？怎么实现？这是摆在我们眼前的一个问题。
反过来，正常的机械的3D打印的过程大概是这个样子的。它在计算机和设备的控制下，也是逐层累积，形成一个物体的轮廓或者是外形。在这里，机器代替了人，精确定位是由计算机和设备来完成的，在很短的时间内就可以打印出来一个房子。
从玩具得到的启发
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接着回到刚刚那个问题——如何把大象装冰箱？第一关就是材料关——材料能否满足打印。
我们知道在生活中，普通的混凝土其实是像水一样地流淌下来的，不可能一层一层地垒砌起来的。当然，要是做一些适当的调控，它是可以满足打印两层、三层不塌。但是如果打印高了之后，可能整个就塌掉了。所以说能否制造、制备出满足打印要求的材料，是非常非常重要的第一关。
为了解决这个问题，我们大概找了几百种能够成功打印的材料，做了很多的测试。在这个测试里面最主要想得到两个参数：黏度和屈服应力。屈服应力用来表征站起来或立起来的能力的大小。我们做完测试，发现上图黑圈内是一个可打印的范围，这是通过大量材料的性能测试得到的。
这就相当于开了一个上帝视角，原来3D打印里面大概有7种核心材料，7种核心材料怎么样去调控？只要往这个圈里面去凑就行了。就跟炒菜一样的，旁边站了一个非常有经验的师傅指导你，盐多了加水，或者是水多了加盐，改变了原来“盲人炒菜”的方式。基于这个基础，就可以把原本会坍塌的无法打印的非常细的材料立起来，形成一个非常好的外形。
第二关就是评价关。打印出来之后这个东西好或者是不好，我们怎么知道？打印的材料是一层一层累积起来的，这一层一层之间的结合能力是好还是坏，这是我们非常关心的。我们当然希望它能够结合得更好一点。
3D打印材料其实和混凝土材料类似，它在抗压方面比较好，抗折和抗拉比较差。那怎么去测试呢？最直接的就是两头粘个东西或者夹个夹头，然后直接拽它，这样通过它被破坏的荷载除以它的面积，就可以得到它的强度了。
如果你是一个爱浪漫的人，一个在生活中天天都期待不同惊喜的人，你一定要多做这个实验。为什么？因为你想象的破坏是这样的，沿着这个界面破坏了，然后我就得到一个力。
但事实上它的破坏可能是这样的。你猜不到它到底在哪个界面会破坏，所以说这个实验的成功率非常低，做下来之后会让你很沮丧。
那不行就退而求其次嘛，用这种方式其实效果也是类似的。你想象的破坏是这样的。
其实可能是这样的。
这样一个看起来很简单的问题，能否找到一个方式来解决它？为了解决这个问题，我们从3D打印的优势出发。3D打印的优势是什么呢？它可以个性化地设计，打印出来比较复杂的形状，于是我们就设计了这么一种十字交叉的形状。
这需要一些空间思考能力。早上我专门把儿子的积木给带过来，可以给大家演示一下。
与这个玩具类似，我们打印出来两层材料，再交叉着结合到一起，给它架在一个中空的夹具上面。然后我们去压下层，在这个界面产生了一个拉应力，最终压到底下这块就掉了。这样就可以测试3D打印材料的界面结合能力。由于它只是这一个面接触，其他都不接触，所以不会产生前面所说的那个问题。
同时，打印的十字交叉的试件如果再翻转一个角度受压，也可以测试它的剪切强度。通过这种比较简单的方法，我们可以实现两个强度的评价。
我们把这个方法编成了一个行业标准，也填补了这个领域的空白。因为没有评价的话，做得好或坏没有办法去表征。这个标准后来也得到了国际上的一些技术委员会的引用。
粽子皮、叫花鸡、肉夹馍哪种最好？
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第三关就是安全关。建筑我们肯定都想让它安全一点，不管是遇到地震或者是其他的一些灾害，都要让房子保证原有的形状，不坍塌。
一个叫做“粽子皮”式。先打印一个“皮”，里面按照传统的方式去配筋，然后再把混凝土浇进去。它名义上是3D打印，其实还是传统的浇筑，所以只是做了个“粽子皮”。第二种是“叫花鸡”式。就和我们在鸡肉上面不停地糊泥一样，在现成的钢筋上打印，最后做成一个薄板。第三种叫做“肉夹馍”式。先打印一层混凝土，再放上一层钢筋，然后再打印一层混凝土把这两层包住。
可以看到，这些方式都没有直面3D打印里面最核心的问题：它不受拉和抗折强度比较差的问题。
▲左:德国方案：2018年12月14日
中:西班牙方案：2019年6月19日
右:我们的方案：2018年12月7日
据此，德国人提出了一种方案，在打印方向上放了一些纵向的短切的钢筋。这样加进去之后，首先可以很好地提升它的抗拉强度，在上面两头拽的话，它的强度大大地增加了。另外也可以提高它的抗折能力，这都是我们建筑里面最想提高的性能。然后西班牙人进行了一些跟踪研究。
其实我们也提出了类似的方案。刚开始我们并没有关注到这个方案有多好，只是看到德国方案之后，我们才发现，我们的专利授权报告的申请日期比他们大概早了一个星期。所以相当于双方同时提出了这么一个方案。
我们的方案也得到了很多的国际专利的授权，还受到了日内瓦国际发明展银奖的鼓励。
为未来的月球基地建材铺路
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材料、评价、安全这三关我们都过了，够了吗？好像还不是很过瘾。因为这并不是我们的最终目标，我们的目标是星辰大海。
▲阿尔忒弥斯计划（2019-2030）
这里首先要说一下美国，他们提出了阿尔忒弥斯计划（2019-2030）。这个计划主要有两个目的，一个是要在月球上建立永久基地，第二个是要为载人火星做准备。
美国人有了方案，欧洲人也没闲着，做了个月球村的计划。日本人也想要上去，就做了一个月球基地的方案。
那我们中国在干什么呢？其实我们也做了非常非常多的工作。在前期，我们已经完成了“绕”“落”“回”三期的探月工程。我们正在开展的下一步就是“勘”“建”“用”，要在2035年前完成建设，后面用上和俄罗斯联合完成的月球科研站。
▲左:哈工大 熔岩管方案
中:清华大学 月壤袋方案
右:华中科技大学 月壶尊
那这个月球科研站要怎么建呢？一些科研机构也提出了很多很好的方案。比如哈尔滨工业大学提出了熔岩管的方案，住在洞穴里。清华大学提出了月壤袋的方案，在月球上弄几个袋子上去，把月壤装起来，然后可以做成一个庇护所。华中科技大学做了月壶尊，在月面上建个东西来保护我们的航天员和我们的设备。
这些方案都各有优势，但不管怎么样去设计方案，最终有一个问题是没法回避的，就是用什么样的材料去建设，去满足我们的防护和功能要求。基于此，我们向我们的主管单位中国建材联合会申请了“面向极端环境的月球混凝土材料制备与性能评价”的重大科技攻关的揭榜挂帅项目。非常幸运，这个项目得到了批复。
所以在未来的5年，我们将重点解决在月面的极端环境下月球混凝土的制备和评价的问题。
首先可能要解决的就是在地面上如何等效模拟月面上的月壤。不然做实验的材料没法得来。第二个就是在大温差、低重力以及高真空的环境下，怎么样来制备出满足我们建造要求的混凝土。这里面的科学问题还是比较多的，比如它的固化形成机理以及传质机制等，都会影响到后面的制备。第三个问题就是月面上的温差大，一个月昼的温差大概达到300℃。
在这种情况下，如果我们采用常规的制造方法，可能满足不了要求。那用什么样的方法或者机制，能够尽量地减少极端环境对它的影响呢？这也是我们重点关注的。在这个过程中，一定会有非常多艰难。虽然很难，但这是正确的事情，也就是创新的意义所在。
我相信，建筑3D打印有可能为我们人类走向地外的旅程插上一双翅膀。
感谢大家！
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