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(kāi)發(fā)輕質(zhì)建筑組件的新研究細(xì)節(jié)。

△這項(xiàng)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(shí)候取得一項(xiàng)創(chuàng)新成果，為可持續(xù)建筑開(kāi)創(chuàng)了新前景，既通過(guò)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(xiàng)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(xiàng)目名為Airlements。這一技術(shù)利用回收的工業(yè)廢物，包括來(lái)自工業(yè)高爐的粉煤灰，制造出無(wú)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(gè)墻壁角件，由四個(gè)由無(wú)水泥礦物泡沫制成的輕質(zhì)獨(dú)立部件組成

Airlements原型由多個(gè)獨(dú)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(diǎn)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(fèi)和二氧化碳排放。該工藝消除了對(duì)于耗時(shí)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(shí)常見(jiàn)的挑戰(zhàn)。

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

在桑拿房中進(jìn)行3D打印機(jī)

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

為此，Bedarf開(kāi)發(fā)了一個(gè)特殊的氣候室：一個(gè)大型透明的帳篷狀結(jié)構(gòu)，機(jī)器人在其中沿著預(yù)定的打印路徑移動(dòng)。他描述說(shuō)：“到處都是霧氣和灰塵，就像在熱桑拿中一樣�！彼�指出這種新的生產(chǎn)方法不再需要能源密集型加工，是對(duì)早期無(wú)水泥泡沫工作的進(jìn)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(guò)程中和最終狀態(tài)下提供了額外的穩(wěn)定性。

該項(xiàng)目將3D打印與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，能夠經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)定制建筑部件。Bedarf評(píng)價(jià)道：“如果沒(méi)有自動(dòng)化，傳統(tǒng)的施工方法在節(jié)省材料方面非常耗時(shí)且昂貴，這種新穎的方法可以實(shí)現(xiàn)快速原型制作。每個(gè)組件都可以在不到一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)打印出來(lái)，然后在受控環(huán)境中經(jīng)過(guò)一周的硬化過(guò)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(jì)的結(jié)構(gòu)，具有高密度結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（左）和絕緣特性（右）

Airlements的實(shí)際應(yīng)用包括易于運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)組裝的輕質(zhì)部件。最初，Bedarf嘗試使用混凝土來(lái)加固部件，但成功過(guò)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(jī)器人3D打印輕質(zhì)隔熱建筑構(gòu)件”（傳送門(mén)）

展望未來(lái)，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(jì)劃進(jìn)一步開(kāi)發(fā)Airlements，重點(diǎn)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(jì)算設(shè)計(jì)I&II”中的教學(xué)相一致。

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