一种基于3D打印工艺制造的建筑物、城市雕塑及方法与流程

一种基于3d打印工艺制造的建筑物、城市雕塑及方法
技术领域
1.本发明涉及建筑和建造技术领域，具体为一种基于3d打印工艺制造的 建筑物、城市雕塑及方法。


背景技术：

2.泥土、石头是最古老、最原始的天然建筑材料，伴随着人类从远古走向 文明，如地窝堡、土窑洞、土坯房、土围墙、泥塑等等至今留有明显的印记。 特别在我国西北地区，以泥土、石头为主体的建筑物目前仍占有很大的份额， 甚至有些人习惯于土质住宅不愿离开，因为它冬暖夏凉、透气、保湿、舒适 等等。然而泥土自身存在着致命的缺陷，那就是强度低、不耐水。因此，只 能用其建造一些简易的、粗糙的建筑物。
3.随着科学技术的进步、社会文明的发展、人类居住要求的提高，砖瓦、 水泥、钢材成为三大建筑主体材料。它们都是泥土、矿石的二次加工产物， 有文明、进步的一面，也带来了许多弊端。如它们都需要高温烧制、炼制， 每一栋高楼的拔地而起，意味着一大堆煤被消耗。因此，他们都属于高耗能、 高污染、破坏环境、消耗资源的建筑材料。更麻烦的是以砖瓦、水泥为主体 建筑材料形成的建筑垃圾难以处理，土地难以复耕。虽然我国幅员辽阔，地 大物博，可耕地面积却只有9.3％左右，已经非常稀缺了。然而，大兴房地 产开发以及农村进行城镇化建设，又消耗了大量耕地，且难以复耕。这对我 国的粮食安全造成了很大的威胁，也限制了建筑行业长期稳定的发展。因此， 需要改变建筑理念、寻求新的建筑材料，尽量少用砖瓦、水泥、钢材等建筑 材料。以此同时目前的城市雕塑基本都是采用石材和金属制造而成，这样不 仅成本高，而且之后形成的垃圾难以处理，不利于环境保护。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于3d打印工艺制造的 建筑物、城市雕塑及方法，利用3d打印工艺实现了建筑物、城市雕塑的智 能化建造，通过现代材料技术克服了泥土低强度、不耐水的自然属性，将泥 土直接使用，也可以使用石粉、砂子、建筑垃圾形成的粉尘和粉煤灰进行 3d打印，免去高温烧制、炼制，节能环保，使建筑物、城市雕塑的成本降 低、效率提高、环境有好和可持续发展成为可能。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种基于3d打印工艺制造建筑物、城市雕塑的方法，包括如下步骤：
7.步骤1，将泥土、石粉、砂子、粉煤灰中的一种或多种作为主体材料， 添加胶黏剂、纤维、减水剂、防霉剂混合成适宜于3d打印工艺的建筑材料 或雕塑材料；
8.步骤2，将步骤1得到的建筑材料或雕塑材料通过喷墨法3d打印工艺 打印成建筑物雏形或城市雕塑雏形；或者将步骤1得到的建筑材料或雕塑材 料用水拌和后通过挤出法3d打印工艺打印成建筑物雏形或城市雕塑雏形；
9.步骤3，将建筑物雏形或城市雕塑雏形干燥后进行边角整理，得到初步 形成的建筑物或城市雕塑；
10.步骤4，先在初步形成的建筑物或城市雕塑表面涂覆无机颜料形成的溶 液、有机颜料形成的溶液或染料形成的溶液，进行表面增强着色处理，之后 使用以下有机物的溶液进行表面防水处理，得到建筑物或城市雕塑；
11.所述的有机物溶液包含石蜡、松香、石油树脂、高级脂肪酸、高级脂肪 醇、有机硅或有机氟。
12.优选的，步骤1中所述的泥土包含陶土、瓷土、高岭土、膨润土、硅藻 土、天然形成的各种黏土和建筑垃圾形成的粉尘。
13.优选的，步骤1中所述的胶黏剂包括水性胶黏剂和无机粘结剂。
14.进一步，所述的水性胶黏剂为海藻酸钠、羧甲基纤维素、壳聚糖、粘米 粉、淀粉、面粉、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、eva乳液或聚丙 烯酸类乳液，无机粘结剂为石膏、水泥或水玻璃。
15.优选的，步骤1中所述的纤维包括植物秸秆、纸浆、棉纤维、毛发、玻 璃纤维、石棉、矿棉、碳纤维、高分子纤维或钢纤维。
16.优选的，步骤1中所述的减水剂包括苯磺酸盐系列减水剂、萘磺酸盐系 列减水剂、聚羧酸盐系列减水剂和缩醛系列减水剂中的一种或多种。
17.优选的，步骤4中无机颜料形成的溶液、有机颜料形成的溶液或染料形 成的溶液中的固含量为5％～30％。
18.优选的，步骤4中有机物的溶液中有机物占整个溶液质量的1％～20％。
19.一种由上述任意一项所述的基于3d打印工艺制造建筑物、城市雕塑的 方法得到的建筑物、城市雕塑。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
21.本发明一种基于3d打印工艺制造建筑物、城市雕塑的方法，将环境友 好、取之不尽、用之不竭、就地取材的天然产物的泥土以及石粉、砂子和粉 煤灰作为主体材料制造建筑物、城市雕塑，改变了传统的砖瓦、水泥、钢材 等高耗能建筑材料，不仅降低建筑成本、提高制造效率，同时解决了废弃建 筑物容易回归土壤、废弃建筑场地容易复耕等疑难问题。该方法包含了将泥 土经胶黏剂、纤维、减水剂和防霉剂处理成适合3d打印的高强建筑材料， 以及相应建筑物、城市雕塑的打印方法和后处理方法，改变了建筑物、城市 雕塑对砖瓦、水泥、钢铁等高耗能、高污染的建筑材料的高度依赖的现状。 本发明利用现代3d打印技术、现代材料技术使建筑物、城市雕塑等的成本 降低、效率提高、环境有好和可持续发展成为可能，更重要的是泥土耐候、 保温、隔音、恒湿、不燃等自然特性，且废弃物容易回归土壤，建筑场地容 易复耕，适合持续、循环发展理念，使建筑物、城市雕塑的整体性提高，不 仅强度提高、效率提高，而且容易实现建筑物、城市雕塑结构向个性化、艺 术化、多样化发展。
附图说明
22.图1为本发明所述方法的具体过程框图。
具体实施方式
23.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释
而不是限定。
24.本发明一种基于3d打印工艺制造建筑物、城市雕塑的方法，先将主体 材料进行预处理，主体材料为泥土、石粉、砂子、粉煤灰中的一种或多种， 预处理为依次粉碎、过筛，过筛一般为60～120目，之后添加辅助材料形成 的质量分数为1％～20％的混合溶液，辅助材料即胶黏剂、纤维、减水剂和防 霉剂，该混合溶液占上述主体材料质量的10％～40％，形成符合3d打印工 艺的建筑材料，通过对应的3d打印方法打印成建筑物雏形，干燥后再通过 后处理，即边角整理、表面增强着色和防水憎水形成最终的建筑物。具体过 程如图1所示。
25.上述质量分数为1％～20％的混合溶液是指辅助材料的总质量占整个混合 溶液质量的1％～20％。
26.以下对上述关键的内容做具体说明。
27.泥土，即黏土，除了包含天然形成的各种颜色的黏土以外，还包含陶土、 瓷土、高岭土、膨润土、硅藻土、石粉、砂子、建筑垃圾形成的粉尘、粉煤 灰以及它们的混合物，具体质量比不限。
28.辅助材料包含胶黏剂、纤维、减水剂和防霉剂。
29.胶黏剂包括天然与合成的各类水性胶黏剂和无机粘结剂，水性胶黏剂可 以是海藻酸钠、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、壳聚糖、粘米粉、淀粉、 面粉、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、eva乳液或聚丙烯酸类乳液， 无机粘结剂可以是石膏、水泥或水玻璃。
30.纤维包含天然和人工制备的各种有机纤维、无机纤维，如植物秸秆、纸 浆、棉纤维、毛发、玻璃纤维、石棉、矿棉、碳纤维、高分子纤维或钢纤维。
31.减水剂包含水泥混凝土减水剂，如苯磺酸盐系列减水剂、萘磺酸盐系列 减水剂(萘磺酸钠)、聚羧酸盐系列减水剂、缩醛系列减水剂。它们单独使 用和混合使用，种类和质量比不限。
32.上述提到的胶黏剂、纤维和减水剂，以及防霉剂的具体用量一般需要根 据不同的主体材料而定，没有一个明确的范围，按照常规的溶液配置流程进 行，只要最后能形成3d打印工艺所需的粘度即可，减水剂一般占主体材料 质量的2％左右。
33.3d打印方法可以是粉状材料选择性喷胶粘结打印法(即喷墨法)或膏 状材料挤出成型法(即挤出法)，一种方法打印或两种打印方法组合打印， 之前提及的固化剂，固化剂加的量能起到在粉状材料选择性喷胶粘结打印法 时固化主体材料的作用即可。
34.后处理先进行常规的边角整理，之后依次进行表面增强着色和防水憎水 处理。
35.表面增强着色处理使用乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液、水性聚氨酯溶液、 无溶剂型聚氨酯溶液、环氧树脂溶液、聚烯烃类树脂溶液添加各种无机颜料、 有机颜料或染料进行表面涂覆处理，在增强建筑物或城市雕塑强度的同时进 行着色，满足个性化、艺术化、多样化的需要。
36.防水憎水处理使用石蜡、松香、石油树脂、羟基硅油、高级脂肪酸、高 级脂肪醇、有机硅、有机氟的稀溶液进行表面涂覆处理。
37.上述表面增强着色处理和防水憎水处理时使用的溶液浓度以可以进行涂 覆处理的标准进行配置，以下具体实施方式给出相应的范围。
38.具体实施方式一
39.将中国陕西省西安市上林苑小区当地的黏土作为粉状材料进行粉碎、过 筛，得到
粒度为60～120目的主体材料。
40.用普通水将海藻酸钠、萘磺酸钠、棉纤维和防腐剂配置成质量分数为 1％～20％溶液。将该溶液与上述粉状材料混合均匀，溶液质量占粉状材料的 10％～40％,得到适合3d打印工艺的粘度。
41.用膏状材料挤出法3d打印机将上述混合体系打印成建筑模型。
42.待该建筑模型自然干燥后，经边角整理后，喷涂乙烯-醋酸乙烯共聚物 乳液(即eva乳液)与无机颜料配制成的水溶液(溶液中不挥发的固体的 固含量为5％～30％)于表面。待再次自然干燥后，喷涂1％～20％的羟基硅油 溶液做防水憎水处理。
43.实施例1
44.将中国陕西省西安市上林苑小区当地的黏土作为粉状材料进行粉碎、过 筛，得到粒度为60目的主体材料。
45.用普通水将海藻酸钠、萘磺酸钠、棉纤维和作为防腐剂的丙酸钙配置成 质量分数为1％溶液。将该溶液与上述粉状材料混合均匀，溶液质量占粉状 材料的20％，得到适合3d打印工艺的粘度。
46.用膏状材料挤出法3d打印机将上述混合体系打印成建筑模型。
47.待该建筑模型自然干燥后，经边角整理后，喷涂乙烯-醋酸乙烯共聚物 乳液(即eva乳液)与无机颜料配制成的水溶液(溶液中不挥发的固体的 固含量为5％)于表面。待再次自然干燥后，喷涂1％的羟基硅油溶液做防 水憎水处理。
48.实施例2
49.将中国陕西省西安市上林苑小区当地的黏土作为粉状材料进行粉碎、过 筛，得到粒度为120目的主体材料。
50.用普通水将海藻酸钠、萘磺酸钠、棉纤维和作为防腐剂的丙酸钙配置成 质量分数为20％溶液。将该溶液与上述粉状材料混合均匀，溶液质量占粉 状材料的30％，得到适合3d打印工艺的粘度。
51.用膏状材料挤出法3d打印机将上述混合体系打印成建筑模型。
52.待该建筑模型自然干燥后，经边角整理后，喷涂乙烯-醋酸乙烯共聚物 乳液(即eva乳液)与无机颜料配制成的水溶液(溶液中不挥发的固体的 固含量为30％)于表面。待再次自然干燥后，喷涂20％的羟基硅油溶液做 防水憎水处理。
53.实施例3
54.将中国陕西省西安市上林苑小区当地的黏土作为粉状材料进行粉碎、过 筛，得到粒度为80目的主体材料。
55.用普通水将海藻酸钠、萘磺酸钠、棉纤维和作为防腐剂的丙酸钙配置成 质量分数为10％溶液。将该溶液与上述粉状材料混合均匀，溶液质量占粉 状材料的25％，得到适合3d打印工艺的粘度。
56.用膏状材料挤出法3d打印机将上述混合体系打印成建筑模型。
57.待该建筑模型自然干燥后，经边角整理后，喷涂乙烯-醋酸乙烯共聚物 乳液(即eva乳液)与无机颜料配制成的水溶液(溶液中不挥发的固体的 固含量为20％)于表面。待再次自然干燥后，喷涂10％的羟基硅油溶液做 防水憎水处理。
58.具体实施方式二
59.将中国陕西省延安市宝塔区万花山乡的黏土作为粉状材料粉碎、过筛， 得到粒度为60～120目的主体材料。
60.用普通水将羧甲基纤维素钠、石棉、梳状聚羧酸减水剂和防腐剂配置成 质量分数为1％～20％的溶液。将该溶液与上述粉状材料混合均匀，溶液质量 占粉状材料的10％～40％,得到适合3d打印工艺的粘度。
61.用膏状材料挤出法3d打印机打印成建筑模型。
62.待该建筑模型自然干燥后，经边角整理，喷涂聚丙烯酸酯乳液与颜料配 制成的水溶液与有机颜料配制成的水溶液(固含量5％～30％)于表面。待再 次自然干燥后，喷涂1％～20％的石蜡溶液做防水憎水处理。
63.本次具体实施方式按照上述具体实施方式具体进行操作，可对实施例1 进行对应的替换，展开具体操作。
64.具体实施方式三
65.将建筑废料(粉尘或碎渣)作为第一粉状材料粉碎、过筛，得到粒度为 60～120目的材料，将固化剂氟硅酸钠研细并过300目筛，将二者混合均匀 为粉状材料。
66.用普通水将水玻璃、萘磺酸钠和防腐剂配置成质量分数为1％～20％的溶 液，即打印墨水。
67.用粉状材喷胶法3d打印机打印成城市雕塑模型。
68.待该雕塑模型自然干燥后，经边角整理，喷涂水性环氧树脂乳液与染料 配制成的水溶液(固含量5％～35％)于表面。待再次自然干燥后，喷涂 1％～20％的氨基硅油溶液做防水憎水处理。
69.本次具体实施方式按照上述具体实施方式具体进行操作，可对实施例1 进行对应的替换，展开具体操作。
70.具体实施方式四
71.将中国陕西省渭南市澄城县的黏土和陶土混合后粉碎、过筛，得到粒 度为60～120目的材料，将麦柴秸秆干燥、粉碎并过60～100目筛。
72.将它们混合均匀为粉状材料(麦祡秸秆粉占粉状材料总质量的 1％～15％)。用普通水将eva乳液、缩醛系列减水剂和防腐剂配置成质量分 数为1％～20％的溶液。将该溶液与上述粉状材料混合均匀，溶液质量占粉状 材料的10％～40％,得到成适合3d打印工艺的粘度。
73.用膏状材料挤出法3d打印机打印成建筑模型。
74.待该建筑模型自然干燥后，经边角整理，喷涂水性聚氨酯乳液与无机颜 料配制成的水溶液(固含量5％～30％)于表面。待再次自然干燥后，喷涂 1％～20％的硬脂酸溶液做防水憎水处理。
75.本次具体实施方式按照上述具体实施方式具体进行操作，可对实施例1 进行对应的替换，展开具体操作。