麻省理工學(xué)院3D 打印可回收的建筑用玻璃磚，承載力可媲美混凝土磚

2024年9月21日，南極熊獲悉，據(jù)麻省理工學(xué)院稱，工程師們受到循環(huán)建筑生態(tài)潛力的啟發(fā)，正在開發(fā)一種由3D打印再生玻璃制成的新型可重構(gòu)砌體。該團隊利用麻省理工學(xué)院衍生公司 Evenline 提供的定制 3D 玻璃打印技術(shù)，制作出堅固的多層玻璃磚，每塊都呈 8 字形，可以像樂高積木一樣相互鎖合。

在機械測試中，一塊玻璃磚可承受的壓力與混凝土塊相似。為了進行結(jié)構(gòu)演示，研究人員建造了一堵互鎖玻璃磚墻。他們設(shè)想，3D 打印玻璃磚可以作為可回收磚多次重復(fù)使用，用于建筑外墻和內(nèi)墻。

麻省理工學(xué)院機械工程助理教授凱特琳·貝克爾 (Kaitlyn Becker) 說道：“玻璃是一種可高度回收利用的材料。我們將玻璃制成磚石，當建筑結(jié)構(gòu)報廢時，可以將其拆開并重新組裝成新結(jié)構(gòu)，或者可以將其放回打印機中并變成完全不同的形狀。所有這些都構(gòu)成了我們對可持續(xù)、循環(huán)建筑材料的想法?！?/div>

“玻璃作為一種結(jié)構(gòu)材料，有點讓人頭疼，”邁克爾·斯特恩 (Michael Stern)說道，他曾是麻省理工學(xué)院的研究生，目前在麻省理工學(xué)院媒體實驗室和林肯實驗室擔(dān)任研究員，同時也是Evenline 的創(chuàng)始人和總監(jiān)。“我們正在展示這是一個突破建筑極限的機會?！?/div>

貝克爾和斯特恩及其同事在《玻璃結(jié)構(gòu)與工程》雜志的一項題為“Additivemanufacturing of interlocking glass masonry units”的研究論文中詳細介紹了他們的玻璃磚設(shè)計。麻省理工學(xué)院的合著者包括主要作者丹尼爾·馬西米諾和夏洛特·福林納斯，以及 Evenline 的伊?！?。這項研究得到了 Bose 研究資助計劃和麻省理工學(xué)院研究支持委員會的部分資助。

論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40940-024-00279-8

新型圓形砌體設(shè)計的靈感部分來自麻省理工學(xué)院的玻璃實驗室，當時還是本科生的貝克爾和斯特恩在那里首次學(xué)習(xí)了吹制玻璃的藝術(shù)和科學(xué)。斯特恩說：“我發(fā)現(xiàn)這種材料很迷人。我開始思考如何讓玻璃打印找到自己的位置并做有趣的事情，建筑就是其中一種可能的途徑?！彼髞碓O(shè)計了一臺能夠打印熔融再生玻璃的 3D 打印機——這是他在機械工程系學(xué)習(xí)期間承擔(dān)的項目。

與此同時，貝克爾接受了麻省理工學(xué)院的教職，開始探索制造與設(shè)計的交集，以及如何開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的新工藝。貝克爾說：“我很高興能為具有有趣特性的具有挑戰(zhàn)性的材料拓展設(shè)計和制造空間，比如玻璃及其光學(xué)特性和可回收性。只要沒有被污染，你幾乎可以無限地回收玻璃。”

她和斯特恩聯(lián)手研究3D 打印玻璃能否以及如何制成像傳統(tǒng)磚塊一樣堅固且可堆疊的結(jié)構(gòu)砌體單元。在這項新研究中，該團隊使用了 Glass 3D Printer 3 (G3DP3) 打印裝置，這是 Evenline 玻璃打印機的最新版本，它與熔爐配合使用，將壓碎的玻璃瓶熔化成熔融的可打印形式，然后打印機將其以分層圖案沉積。

△G3DP3的當前配置：玻璃門后面是構(gòu)建室，上方是爐窯和坩堝

研究團隊使用吹制玻璃工作室通常使用的鈉鈣玻璃打印出原型玻璃磚。他們在每塊打印的磚上安裝了兩個圓形釘子，類似于樂高積木上的螺柱。和玩具積木一樣，釘子使磚塊可以互鎖并組裝成更大的結(jié)構(gòu)。放置在磚塊之間的另一種材料可防止玻璃表面之間出現(xiàn)劃痕或裂縫，但如果要拆卸和回收磚結(jié)構(gòu)，則可以將其移除，還可以讓磚塊在打印機中重新熔化并形成新的形狀。團隊決定將磚塊做成 8 字形。馬西米諾說：“有了 8 字形，我們可以限制磚塊，同時將它們組裝成具有一定曲率的墻壁?！?

研究團隊打印了玻璃磚，并在工業(yè)液壓機中測試了它們的機械強度，液壓機擠壓磚塊直到它們開始破裂。研究人員發(fā)現(xiàn)，最堅固的磚塊能夠承受的壓力與混凝土塊相當。這些最堅固的磚塊主要由打印玻璃制成，磚塊底部附有單獨制造的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果表明，大多數(shù)磚石磚都可以由打印玻璃制成，聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)可以打印、鑄造或用其他材料單獨制造。

貝克爾說：“玻璃是一種復(fù)雜的材料，用不同材料制成的互鎖元件在這個階段顯示出最大的潛力?！?/div>

研究團隊正在研究是否可以用打印玻璃實現(xiàn)更多磚塊的互鎖功能，但并不認為這會成為擴大設(shè)計規(guī)模的障礙。為了展示玻璃砌體的潛力，他們用互鎖玻璃磚建造了一面弧形墻。接下來，他們的目標是建造更大、自支撐的玻璃結(jié)構(gòu)。

斯特恩說：“我們對材料的極限以及如何擴大規(guī)模有了更多的了解。我們正在考慮將材料作為建筑的墊腳石，并希望從類似亭子的東西開始——一種人類可以與之互動的臨時結(jié)構(gòu)，然后你可以將其重新配置成第二種設(shè)計。你可以想象這些積木可以經(jīng)歷很多次生命?！?/div>