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(tuán)隊(duì)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(jiān)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(jī)械測(cè)試中，一塊玻璃磚可承受的壓力與混凝土塊相似。為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)演示，研究人員建造了一堵互鎖玻璃磚墻。他們?cè)O(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(jī)械工程助理教授凱特琳·貝克爾 (Kaitlyn Becker) 說(shuō)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(dāng)建筑結(jié)構(gòu)報(bào)廢時(shí)，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(jī)中并變成完全不同的形狀。所有這些都構(gòu)成了我們對(duì)可持續(xù)、循環(huán)建筑材料的想法。”

“玻璃作為一種結(jié)構(gòu)材料，有點(diǎn)讓人頭疼，”邁克爾·斯特恩 (Michael Stern)說(shuō)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(shí)驗(yàn)室和林肯實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任研究員，同時(shí)也是Evenline 的創(chuàng)始人和總監(jiān)�！拔覀冋�在展示這是一個(gè)突破建筑極限的機(jī)會(huì)�！�

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(xiàng)題為“Additivemanufacturing of interlocking glass masonry units”的研究論文中詳細(xì)介紹了他們的玻璃磚設(shè)計(jì)。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�！�湯森。這項(xiàng)研究得到了 Bose 研究資助計(jì)劃和麻省理工學(xué)院研究支持委員會(huì)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(jì)的靈感部分來(lái)自麻省理工學(xué)院的玻璃實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時(shí)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(shuō)：“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�后來(lái)設(shè)計(jì)了一臺(tái)能夠打印熔融再生玻璃的 3D 打印機(jī)——這是他在機(jī)械工程系學(xué)習(xí)期間承擔(dān)的項(xiàng)目。

與此同時(shí)，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(jì)的交集，以及如何開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的新工藝。貝克爾說(shuō)：“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(jì)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(wú)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(jiān)固且可堆疊的結(jié)構(gòu)砌體單元。在這項(xiàng)新研究中，該團(tuán)隊(duì)使用了 Glass 3D Printer 3 (G3DP3) 打印裝置，這是 Evenline 玻璃打印機(jī)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(jī)將其以分層圖案沉積。

△G3DP3的當(dāng)前配置：玻璃門后面是構(gòu)建室，上方是爐窯和坩堝

研究團(tuán)隊(duì)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?cè)诿繅K打印的磚上安裝了兩個(gè)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(jī)中重新熔化并形成新的形狀。團(tuán)隊(duì)決定將磚塊做成 8 字形。馬西米諾說(shuō)：“有了 8 字形，我們可以限制磚塊，同時(shí)將它們組裝成具有一定曲率的墻壁。”

研究團(tuán)隊(duì)打印了玻璃磚，并在工業(yè)液壓機(jī)中測(cè)試了它們的機(jī)械強(qiáng)度，液壓機(jī)擠壓磚塊直到它們開始破裂。研究人員發(fā)現(xiàn)，最堅(jiān)固的磚塊能夠承受的壓力與混凝土塊相當(dāng)。這些最堅(jiān)固的磚塊主要由打印玻璃制成，磚塊底部附有單獨(dú)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(dú)制造。

貝克爾說(shuō)：“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(gè)階段顯示出最大的潛力�！�

研究團(tuán)隊(duì)正在研究是否可以用打印玻璃實(shí)現(xiàn)更多磚塊的互鎖功能，但并不認(rèn)為這會(huì)成為擴(kuò)大設(shè)計(jì)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(lái)，他們的目標(biāo)是建造更大、自支撐的玻璃結(jié)構(gòu)。

斯特恩說(shuō)：“我們對(duì)材料的極限以及如何擴(kuò)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(dòng)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，然后你可以將其重新配置成第二種設(shè)計(jì)。你可以想象這些積木可以經(jīng)歷很多次生命。”