近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）和緬因大學(xué)的研究人員利用天然材料開發(fā)出了一種可回收的3D打印地板，這種地板足夠堅固，可以替代建筑中的鋼材。該項目是可持續(xù)材料和可再生技術(shù)制造聯(lián)盟（SM2ART）計劃的一部分。

據(jù)該團(tuán)隊稱，SM2ART Nfloor 盒式面板比通常用于多層建筑的類似鋼和混凝土元件更環(huán)保且制造速度更快。

△緬因大學(xué)采用3D打印開發(fā)的SM2ART Nfloor盒式地板

研究團(tuán)隊的核心成果是SM2ART Nfloor盒式地板，這種地板由混合的聚乳酸（PLA）和木粉制成。PLA是一種來源于玉米殘渣的可生物降解熱塑性塑料，而木粉則是木材加工的副產(chǎn)品。這種混合材料不僅堅固耐用，還具備良好的可回收性，適用于大幅面3D打印。 

這項研究成果還在美國住房和城市發(fā)展部于國家廣場舉辦的2024年住房創(chuàng)新展示會上展出。

緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心（ASCC）的結(jié)構(gòu)工程師Scott Tomlinson表示，PLA和木粉的混合物是生產(chǎn)可回收、大尺寸增材制造部件的理想材料。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土組件相比，這種單件式地板組件不僅更堅固，還提供了更優(yōu)質(zhì)的步行體驗。

ORNL研究員Katie Copenhaver表示，通過利用基于生物的大規(guī)模3D打印技術(shù)，用單一材料的地板面板取代了由31個零件和3種材料構(gòu)成的傳統(tǒng)組件。這種地板面板不僅對生態(tài)友好，其強(qiáng)度也與傳統(tǒng)鋼地板相當(dāng)。

△ORNL的一名研究員正在評估模擬建筑工地上的施工過程

結(jié)合材料帶來更高強(qiáng)度

ORNL 和 UMaine 使用聚乳酸 （PLA） 制造面板，PLA 是一種從玉米渣中提取的生物塑料，他們將其與木材加工廢料制成的木粉混合。在 PLA 中添加木粉會顯著提高其剛度，剛度是整體性能的關(guān)鍵。

根據(jù) ORNL 研究員 Katie Copenhaver 的說法，地板的強(qiáng)度來自這兩種材料的結(jié)合以及它的幾何形狀，它將負(fù)載分配到其外邊緣，在那里它將位于建筑物的鋼框架內(nèi)。

根據(jù)該團(tuán)隊的測試，該盒式地板具有與典型鋼混凝土地板制造相同的強(qiáng)度，他們還表示它是可生物降解的，并且更容易在上面行走。

布線、管道和管道系統(tǒng)的通道可以在制造過程中打印出來，無需在組裝完成后剪掉它們，從而節(jié)省時間和金錢。除了生物基材料固有的碳減排之外，利用增材制造還可以高效放置結(jié)構(gòu)材料，同時集成機(jī)械、電氣和管道系統(tǒng)的路線。

在紐約布魯克林，一個生活空間模塊被吊起，以安裝到世界上最高的模塊化建筑中。類似SM2ART Nfloor 盒式面板的材料有朝一日或許能夠可以取代多層建筑中的傳統(tǒng)鋼和混凝土組件。

SM2ART Nfloor 盒式地板也是完全可回收的。與傳統(tǒng)建造的建筑物使用壽命結(jié)束后被運往垃圾填埋場的建筑材料不同，PLA 是一種可再生材料，拆除后可以重新用于制造其他產(chǎn)品。這種實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的方法提供了持續(xù)回收資源而不是將其作為廢物丟棄的能力。

此材料突顯了在模塊化、多住宅建筑中使用有機(jī)材料的潛力，并增強(qiáng)了城市建設(shè)的可持續(xù)性。

超大型3D打印機(jī)未來工廠 1.0

?今年4月，緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心推出了一款打破世界尺寸紀(jì)錄的熱塑性聚合物打印機(jī)。這款名為未來工廠 1.0 （FoF 1.0） 的新型打印機(jī)于 4 月 23 日在先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心 （ASCC） 亮相，觀眾包括來自美國國防部、美國能源部、緬因州住房管理局、行業(yè)合作伙伴和其他計劃利用該技術(shù)的利益相關(guān)者的代表。熱塑性聚合物打印機(jī)設(shè)計用于打印 96 英尺長 x 32 英尺寬 x 18 英尺高的物體，每小時可打印高達(dá) 500 磅的物體。它為眾多行業(yè)的環(huán)保和具有成本效益的制造提供了新的機(jī)會，包括國家安全、經(jīng)濟(jì)適用房、橋梁建設(shè)、海洋和風(fēng)能技術(shù)以及海上船舶制造。

FoF 1.0 不僅僅是一臺大型打印機(jī);它可以在各種流程之間動態(tài)切換，例如大規(guī)模增材制造、減材制造、連續(xù)鋪層和機(jī)械臂操作。兩臺大型打印機(jī)可以通過共享相同的末端執(zhí)行器或處理同一零件來協(xié)作。

早些時候，研究人員利用該大型3D打印機(jī)在大約30小時內(nèi)制作出SM2ART Nfloor盒式地板，與傳統(tǒng)鋼制地板制造相比，減少了約33%的勞動力。同時，該地板設(shè)計保留了電氣、管道和通風(fēng)服務(wù)所需的開口，減少了傳統(tǒng)施工中對工人開鑿開口的需求。研究人員表示，3D打印不僅節(jié)省了時間和成本，還提高了施工效率，未來在模塊化和多住宅建筑中具有廣闊的應(yīng)用潛力。