蘇黎世聯(lián)邦研究人員將垃圾變成建筑用3D打印絕緣材料

2023年12月4日，南極熊獲悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院公布了使用3D打印技術(shù)開發(fā)輕質(zhì)建筑組件的新研究細節(jié)。

△這項研究研究了使用工業(yè)廢料3D打印新型建筑材料，用于整體、輕質(zhì)和隔熱的墻壁結(jié)構(gòu)

該學(xué)院研究人員于今年早些時候取得一項創(chuàng)新成果，為可持續(xù)建筑開創(chuàng)了新前景，既通過3D打印技術(shù)成功生產(chǎn)出輕質(zhì)、絕緣的建筑構(gòu)件。該項目由數(shù)字建筑技術(shù)小組的博士研究員Patrick Bedarf領(lǐng)導(dǎo)，項目名為Airlements。這一技術(shù)利用回收的工業(yè)廢物，包括來自工業(yè)高爐的粉煤灰，制造出無水泥礦物泡沫。這一創(chuàng)新有望降低供暖和制冷成本，徹底改變建筑材料的使用效率。

△Airlements原型是一個墻壁角件，由四個由無水泥礦物泡沫制成的輕質(zhì)獨立部件組成

Airlements原型由多個獨立的部件組成，可以輕松組裝成墻角件等結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了可持續(xù)性和效率的原則。Bedarf的研究是他博士論文的一部分，重點是創(chuàng)建這些元素，特別是復(fù)雜形狀的元素，以最大限度地減少材料的使用。這一創(chuàng)新的關(guān)鍵在于3D打印工藝，相較于傳統(tǒng)施工方法，它顯著減少了材料浪費和二氧化碳排放。該工藝消除了對于耗時且部分可重復(fù)使用的模板的需求，這是生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀時常見的挑戰(zhàn)。

△在這個帳篷中，Airlements組件在受控的溫度和空氣濕度下進行打印和硬化。左上角可以看到帶有打印頭的機械臂

在桑拿房中進行3D打印機

每個單獨的原型在不到一小時的時間內(nèi)完成打印，并在制造環(huán)境中經(jīng)過一周的硬化，控制溫度為20 – 28°C，相對濕度為20 – 70%。調(diào)節(jié)空氣濕度和溫度對于確保材料正確硬化且不易破裂非常關(guān)鍵。

為此，Bedarf開發(fā)了一個特殊的氣候室：一個大型透明的帳篷狀結(jié)構(gòu)，機器人在其中沿著預(yù)定的打印路徑移動。他描述說：“到處都是霧氣和灰塵，就像在熱桑拿中一樣?！彼赋鲞@種新的生產(chǎn)方法不再需要能源密集型加工，是對早期無水泥泡沫工作的進步。后者要么必須用水泥硬化，要么隨后在烤箱中高溫固化。Airlements的波紋紋理在硬化過程中和最終狀態(tài)下提供了額外的穩(wěn)定性。

該項目將3D打印與機器人技術(shù)相結(jié)合，能夠經(jīng)濟高效地生產(chǎn)定制建筑部件。Bedarf評價道：“如果沒有自動化，傳統(tǒng)的施工方法在節(jié)省材料方面非常耗時且昂貴，這種新穎的方法可以實現(xiàn)快速原型制作。每個組件都可以在不到一小時的時間內(nèi)打印出來，然后在受控環(huán)境中經(jīng)過一周的硬化過程，確保材料的完整性和耐用性。”

△使用Airlements制成的水泥及3D打印設(shè)計的結(jié)構(gòu)，具有高密度結(jié)構(gòu)強度（左）和絕緣特性（右）

Airlements的實際應(yīng)用包括易于運輸和現(xiàn)場組裝的輕質(zhì)部件。最初，Bedarf嘗試使用混凝土來加固部件，但成功過渡到僅使用創(chuàng)新泡沫。這些組件可用作內(nèi)墻和外墻的絕緣部件，并具有承重應(yīng)用的潛力。

△該研究論文已發(fā)表，題目為“地質(zhì)聚合物泡沫機器人3D打印輕質(zhì)隔熱建筑構(gòu)件”（傳送門）

展望未來，Bedarf與FenX（一家ETH衍生公司，利用回收的工業(yè)廢物生產(chǎn)可持續(xù)絕緣材料）合作，計劃進一步開發(fā)Airlements，重點關(guān)注承載能力和絕緣性能。這一舉措與他在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的學(xué)士課程“計算設(shè)計I&II”中的教學(xué)相一致。

Airlements項目不僅代表了可持續(xù)建筑領(lǐng)域的重大進步，而且也是該領(lǐng)域未來創(chuàng)新的前言。同時，該項目專注于降低能耗、最小化廢物產(chǎn)生和完全可回收性。