在建筑结构中，墙壁需要以90°角（垂直）彼此定位。如果出现突出、弯曲或偏移的部分，都需要特殊的建筑模板，制造这种模板的传统制造方式耗时耗力，而三维弯曲模板这样的复杂建筑模板制作更是困难。粘结剂喷射3D打印技术是制造建筑模板的新兴技术，其优势是快速、准确的直接制造复杂建筑模板。

本期，3D科学谷将分享一个粘结剂喷射3D打印技术制造复杂建筑模板的案例。

 精确、快速的复杂建筑模板制造

德国SAB（萨克森自由州的国家发展研究所），在总部建设期间准备建造一个带有中间平台的半圆形楼梯，楼梯将安装在支撑墙上。这就需要一个非常复杂而精确的混凝土模板，以实现楼梯平滑，均匀的曲线，SAB 将此工作委托给了模板供应商Doka。

经过对楼梯模板设计的广泛评估，Doka根据模板的复杂程度对不同表面进行了分类：一类是传统的具有圆柱形或圆锥形的单轴曲面；另一类是这个楼梯与众不同的三轴曲面，也就是楼梯到支撑墙内侧的圆形悬垂。

- 建模模板的传统工艺与3D打印工艺

用传统工艺生产这种形状三轴曲面是非常耗时的，在制作时先用木头或是塑料铣削出模板，再进行手工组装，然后再进行多次研磨和涂层。由于这种模板通常由各个单独部分组合而成，需要粘合在一起。为了获得均匀的混凝土表面，还需要多次对表面进行砂磨和平滑处理。

承载部件要采用有机材料并需要在张力状态下组装起来，而在施工现场，温度和湿度的波动乃至一般天气条件的影响下，都容易发生裂缝，这明显会影响质量。

- Doka 的建筑模板和制造完成的楼梯结构

Doka 选择采用voxeljet-维捷的粘结剂喷射3D打印技术来制造这个三轴曲面模板。根据3D科学谷的了解，voxeljet-维捷 使用其VX 4000 粘结剂喷射3D打印打印系统制造Doka 需要的建筑模板，该系统可生产总体积为 4.00 x 2.00 x 1.00 m 的建筑模板，打印速度为139 l / 小时。

图片来源：voxeljet-维捷

相比传统方式，粘结剂喷射3D打印技术可以更快地生成组件，可以直接根据3D数据进行模板制造，减少了工程工作量。由于这是一种数字化制造技术，如果建筑用户在今后需要制造同一设计但不同尺寸的建筑模板，则可以通过尺寸修改，再次进行3D打印，模板制造是易于重复的。

此外，从设计到装配的3D打印几何形状的数据一致性，保证了模板的高精度，高精度减少了现场手动返工的后顾之忧。。由于材料均质，受天气条件影响小，使得质量得到了保证。voxeljet-维捷制造的3D打印模板可承受高达100 kN /m的混凝土浇铸压力，对所使用的脱模剂和混凝土没有限制。

3D打印技术的优势在制造复杂建筑模板是更为明显，特别是在多弯曲混凝土构件的情况下，数字化和轻松的过程大大加快了建筑速度。根据几何形状的不同，采用粘结剂喷射3D打印技术生产的模板最多可使用40次，这也降低了相同混凝土表面的成本。

- 3D打印模板设计、制造过程

在制造时，voxeljet-维捷在德国服务中心3D打印了七块砂模，壁厚为21毫米，随后使用环氧树脂渗透获得必要的刚性，然后经多打磨和涂层之后，模板即可使用。打印完成后的后处理，增强了3D打印模板的耐候性和耐刮擦性。目前，在voxeljet 德国、中国、印度等地的3D打印服务中心，都可以提供建筑模板快速制造服务。

在工程中，3D打印模板还将需要与传统模板相结合，为了能够与Doka 标准的建筑模板组装在一起，在设计3D打印三轴曲面模板时，设计师预留了组装用的孔、连接插件。

这一3D打印模板在装配时只需要通常装配时间的十分之一。在组装模板时，3D打印模板与Doka的CNC切割Xlife面板百分之百匹配，这种混合制造模板的方法保证了模板制造的成本效益。

-应用效果

通过voxeljet 3D打印模板所制造的建筑楼梯混凝土浇筑结构，没有产生渗透或是蜂窝现象，质量很好。通过与voxeljet-维捷的合作，Doka认为以后可以将粘结剂喷射3D打印模板应用于制造更多的建筑表面结构。

使用voxeljet的粘结剂喷射技术，可以更快速、精确的制造三维曲面混凝土构件模板。远期看，这也许会改变繁复的混凝土施工过程。

 3D科学谷Review

除了制造复杂的混凝土模板外，voxeljet-维捷的粘结剂喷射技术还可以用于制造建筑模型。

根据3D科学谷的市场观察，vvoxeljet-维捷3D打印技术在这个领域的应用包括直接应用和间接应用两种。

在直接应用中，voxeljet-维捷可以通过PMMA 材料制造建筑物中的复制品，例如：使用PMMA 材料3D打印科隆大教堂人物的复制品,或使用该材料制造复杂的装饰性结构。在间接应用中，voxeljet-维捷可以通过PMMA 材料3D打印建筑模型的铸造熔模，然后再通过精密铸造工艺制造出金属建筑模型，例如：voxeljet 3D打印服务中心，通过3D打印熔模和精密铸造技术制造1:100的兰伯特斯大教堂青铜模型。

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 用于自动化批量生产

德国voxeljet-维捷日前宣布，voxeljet-维捷及其合作伙伴通过将粘结剂喷射3D打印技术应用于规模生产，从而将增材制造提升到新的水平。其合作伙伴为德国领先的汽车制造商，通过自动化3D打印复杂的砂模和砂芯，称为VJET X，该生产线有望成为世界上首次汽车关键零件生产领域的集成增材制造解决方案，该项目将利用3D打印的砂芯来铸造关键发动机部件。

用于大规模生产复杂的砂芯，这是voxeljet-维捷新型高速打印机系列的首次商业化。VJET X的打印速度比voxeljet-维捷现有的3D打印机快十倍（速度高达每小时400升），使工业用户能够为汽车发动机等关键零件生产铸造砂型模具。令人印象深刻的是，新系统不需要任何干预，因为所有的前后处理步骤都是自动化的。

凭借其在精密机械、流体和材料科学方面近20年的研究和专业知识，voxeljet-维捷开发了一种先进的，功能更强大的打印头和重涂单元。这款下一代打印引擎显着缩短了每层加工的时间，使VJET X比以前的型号快十倍。

与传统方法相比，VJET X提高了生产灵活性，并允许高速制造具有更为复杂几何形状的砂型模具，从而提高最终产品的性能，并通过产品性能的提高来提高产品生命周期效益。

凭借显著提高的构建速度，全自动化和生产能力，voxeljet-维捷新的增材制造系统针对汽车行业，可以影响和简化发动机部件生产线。voxeljet-维捷宣布在未来两年内交付多达五套VJET X3D打印机的协议，初始订单为两套，将于2019年安装。

3D打印行业处于上升突破点，这一成就标志着voxeljet-维捷的使命中的一个重要里程碑。根据voxeljet-维捷首席执行官Ingo Ederer博士，voxeljet-维捷从近20年前开始，作为从慕尼黑工业大学分离出来的科技型制造企业，其目标是明确的，通过不断突破技术界限以取代传统制造方法。而目前，voxeljet-维捷通过该生产线成为世界上第一家为汽车业自动化批量生产提供3D打印解决方案的公司。

3D科学谷了解到，对于发动机零件生产，voxeljet-维捷的新系统最终可以实现更好的发动机性能，同时提高燃油效率，降低每个零件的成本并提高生产灵活性，可以在同一条生产线上生产不同的设计。

 3D科学谷Review

voxeljet-维捷新型高速打印机系列的商业化验证了3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中所提出的预测：3D打印在5-10年内推动交通工具全面进入轻量化制造时代（砂模铸造、间接金属打印）。

中国的铸造业正在面临转型升级的压力，中铸协预测到2020年铸造企业将减少至1.5万家以内，铸件总产量达到5500万吨，铸件产值约7000亿元的规模。占企业总数量30％的铸造企业（约4500家）的铸件产量将会达到铸件总产量的80％以上。到2020年，我国的铸造综合能耗将比2015年下降10％，废砂利用率进一步提高，年铸造废砂再生量达到300万吨以上。

而3D打印在其中将发挥其独特的作用。就砂型的3D打印来说，3D打印所用的材料已经在铸造厂使用了数十年，可以很容易地与传统铸造砂型组合成混合砂型。

图：3D打印在发动机领域的应用

在应对十分复杂的设计的时候，3D打印砂型还可以显著节省时间，在制造复杂砂型铸造模具时可以节省前所未有的时间。包括voxeljet-维捷为主的制造工艺，现在可以使用粘结剂喷射技术与金属铸造相结合的方式经济地构建几乎任何尺寸的零件。而根据3D科学谷的市场观察，此前，voxeljet-维捷的3D打印在铸造行业的应用主要局限在产品试制阶段，而此次VJET X高速打印机系列的商业化，宣告了3D打印砂型应用从产品试制阶段推向了产品生产领域。

在国内，根据3D科学谷的市场观察，voxeljet-维捷苏州中国总部还与DKSH-大昌华嘉合作，通过创新的3D打印砂型模具技术在3-5天内实现从模型到产品的制造过程，并且还可以通过创新的工艺、夹具、刀具以及整线自动化设计，实现汽车关键零部件的柔性、高效生产，为企业的转型和创新提供有力的支持。

总体来说3D打印方式生产的组件不仅可以实现激动人心的未来派设计，还可以节省大量成本，因为它们不仅可以具有优化的拓扑结构，还可以大幅减少重量，并且需要更少的零件来组装，而从功能上来说还可以获得增强。或许，很快，我们将觉察到，我们所熟悉的产品形状在悄悄的发生变化。

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