工程师用3D打印技术打印坚固的玻璃砖用于建筑结构

如果建筑材料可以像乐高积木一样轻松地组装和拆卸，那会怎样?这种可重构的砌体结构可以在建筑物使用寿命结束时拆卸并重新组装成新结构，形成可持续的循环，可以使用相同的物理构件为几代建筑物提供服务。

这就是循环建筑背后的理念，旨在尽可能地重复使用和重新利用建筑材料，以尽量减少新材料的制造并减少建筑行业的“隐含碳”，即从制造到拆除的整个建筑施工过程中每个过程所产生的温室气体排放。

现在，麻省理工学院的工程师们受到循环建筑生态潜力的启发，正在开发一种由3D打印再生玻璃制成的新型可重构砌体。该团队利用麻省理工学院衍生公司Evenline提供的定制3D玻璃打印技术，制作出坚固的多层玻璃砖，每块都呈8字形，可以相互锁合，就像乐高积木一样。

在机械测试中，一块玻璃砖承受的压力与混凝土块相似。为了进行结构演示，研究人员建造了一堵互锁玻璃砖墙。他们设想，3D打印玻璃砖可以作为可回收砖多次重复使用，用于建筑外墙和内墙。

麻省理工学院机械工程学助理教授凯特琳·贝克尔(KaitlynBecker)表示：“玻璃是一种可高度回收利用的材料。我们将玻璃制成砖石，当建筑结构使用寿命结束时，可以将其拆卸并重新组装成新结构，或者可以将其放回打印机中并变成完全不同的形状。所有这些都构成了我们对可持续、循环建筑材料的想法。”

“玻璃作为一种结构材料，有点让人头疼，”迈克尔·斯特恩(MichaelStern)说道，他曾是麻省理工学院的研究生，目前在麻省理工学院媒体实验室和林肯实验室担任研究员，同时也是Evenline的创始人和总监。“我们正在展示这是一个突破建筑极限的机会。”

贝克尔和斯特恩与同事在《玻璃结构与工程》杂志上发表的一项研究中详细介绍了他们的玻璃砖设计。麻省理工学院的合著者包括主要作者丹尼尔·马西米诺和夏洛特·福林纳斯，以及Evenline的伊桑·汤森。

锁步

新的圆形砖石设计的灵感部分来自麻省理工学院的玻璃实验室，当时还是本科生的贝克尔和斯特恩在那里首次学习了吹制玻璃的艺术和科学。

“我发现这种材料非常迷人，”斯特恩说，他后来设计了一台能够打印熔融再生玻璃的3D打印机——这是他在机械工程系学习期间承担的项目。“我开始思考如何让玻璃打印找到自己的位置并做有趣的事情，建筑就是其中一种可能的途径。”

与此同时，接受了麻省理工学院教职的贝克尔开始探索制造与设计的交叉点，以及如何开发能够实现创新设计的新流程。

“我很高兴能为具有有趣特性的具有挑战性的材料拓展设计和制造空间，比如玻璃及其光学特性和可回收性，”贝克尔说。“只要没有被污染，你几乎可以无限地回收玻璃。”

她和斯特恩联手研究3D打印玻璃能否以及如何制成像传统砖块一样坚固且可堆叠的结构砌体单元。在这项新研究中，该团队使用了Glass3DPrinter3(G3DP3)，这是Evenline玻璃打印机的最新版本，它与熔炉配合使用，将压碎的玻璃瓶熔化成熔融的可打印形式，然后打印机将其以分层图案沉积。

该团队使用玻璃吹制工作室常用的钠钙玻璃打印了原型玻璃砖。他们在每块打印的砖上都安装了两个圆形钉子，类似于乐高积木上的螺柱。与玩具积木一样，这些钉子使砖块能够互锁并组装成更大的结构。

砖块之间放置的另一种材料可防止玻璃表面出现划痕或裂缝，但如果要拆除和回收砖块结构，则可以将其移除，同时允许砖块在打印机中重新熔化并形成新的形状。该团队决定将砖块制成8字形。

马西米诺说：“通过8字形，我们可以限制砖块，同时将它们组装成具有一定曲率的墙壁。”

垫脚石

该团队打印了玻璃砖，并在工业液压机中测试了它们的机械强度，液压机挤压砖块直到它们开始破裂。研究人员发现，最坚固的砖块能够承受的压力与混凝土块可承受的压力相当。这些最坚固的砖块主要由打印玻璃制成，并带有单独制造的联锁结构，附在砖块的底部。

这些结果表明，大部分砖石可以用印刷玻璃制成，并具有可打印、铸造或用不同材料单独制造的互锁功能。

“玻璃是一种复杂的材料，”贝克尔说。“用另一种材料制成的互锁元件在这个阶段显示出最大的潜力。”

该团队正在研究是否可以用印刷玻璃实现更多砖块的互锁功能，但并不认为这会成为扩大设计规模的障碍。为了展示玻璃砌体的潜力，他们用互锁玻璃砖建造了一面弧形墙。接下来，他们的目标是建造更大、自支撑的玻璃结构。

“我们对这种材料的极限以及如何扩大规模有了更多的了解，”斯特恩说。“我们正在考虑将这种材料作为建筑的垫脚石，并希望从类似亭子的东西开始——一种人类可以与之互动的临时结构，然后你可以将其重新配置成第二种设计。你可以想象这些积木可以经历很多次生命。”

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