如果建築材料可以像樂高積木一樣輕鬆組裝和拆卸呢？這種可重新配置的砌體將在建築物壽命結束時被拆卸，並重新組裝成新的結構，以可持續的循環，可以為使用相同物理構建塊的幾代建築物提供服務。

這就是循環建築背後的理念，旨在盡可能地重複利用和重新利用建築材料，以最大程度地減少新材料的製造並減少建築業的「隱含碳」是指建築物從製造到拆除的整個建造過程中的每個過程相關的溫室氣體排放。

現在，麻省理工學院的工程師在循環建築的生態潛力的推動下，正在開發一種由 3D 列印、回收材料製成的新型可重建磚石結構。玻璃。團隊使用麻省理工學院衍生公司 Evenline 提供的客製化 3D 玻璃列印技術，製作了堅固的多層玻璃積木，每塊玻璃積木均呈 8 字形，設計成互鎖結構，就像樂高積木一樣。

在機械測試中，單一玻璃磚可以承受與混凝土塊相似的壓力。作為結構演示，研究人員建造了一堵互鎖玻璃磚牆。他們設想，可 3D 列印的玻璃磚可以作為建築外牆和內牆的可回收磚塊重複使用多次。

「玻璃是一種高度可回收的材料，」麻省理工學院機械工程助理教授凱特琳貝克爾說。「我們正在將玻璃變成磚石結構，在結構壽命結束時，可以將其拆卸並重新組裝成新的結構，或者可以將其粘回印表機中並變成完全不同的形狀。所有這些都構建起來融入我們關於永續、循環建築材料的理念。

前麻省理工學院研究生、麻省理工學院媒體實驗室和林肯實驗室的研究員、Evenline 的創始人兼主任邁克爾·斯特恩(Michael Stern) 表示：「玻璃作為一種結構材料，有點破壞人們的大腦。“我們向人們展示這是一個突破建築極限的機會。”

貝克爾和斯特恩與他們的同事詳細介紹了他們的玻璃磚設計學習出現在雜誌上玻璃結構與工程。他們在麻省理工學院的合著者包括主要作者 Daniel Massimino 和 Charlotte Folinus，以及 Evenline 的 Ethan Townsend。

鎖步

新的圓形砌體設計的靈感部分來自麻省理工學院的玻璃實驗室，當時的本科生貝克爾和斯特恩首先在那裡學習了吹製玻璃的藝術和科學。

「我發現這種材料很有趣，」斯特恩說，他後來設計了一台能夠列印熔融回收玻璃的 3D 列印機——這是他在機械工程系學習期間承擔的一個項目。“我開始思考玻璃印刷如何找到自己的位置並做有趣的事情，建築是一種可能的途徑。”

同時，接受麻省理工學院教職的貝克爾開始探索製造和設計的交叉點，以及開發新工藝以實現創新設計的方法。

「我對擴大具有有趣特性的挑戰性材料的設計和製造空間感到興奮，例如玻璃及其光學特性和可回收性，」貝克爾說。“只要不被污染，你幾乎可以無限地回收玻璃。”

她和斯特恩聯手研究是否以及如何將可 3D 列印的玻璃製成像傳統磚塊一樣堅固且可堆疊的結構磚石單元。在他們的新研究中，該團隊使用了Glass 3D Printer 3 (G3DP3)，這是Evenline 玻璃印表機的最新版本，它與熔爐配合使用，將碎玻璃瓶熔化成熔融的可列印形式，然後印表機以分層圖案沉積。

團隊使用玻璃吹製工作室通常使用的鈉鈣玻璃列印原型玻璃磚。他們在每塊印刷積木上安裝了兩個圓形釘子，類似於樂高積木上的螺柱。與玩具積木一樣，釘子使積木能夠互鎖並組裝成更大的結構。

放置在磚塊之間的另一種材料可以防止玻璃表面之間的划痕或裂縫，但如果要拆除和回收磚結構，則可以將其去除，也允許磚塊在印表機中重新熔化並形成新的形狀。團隊決定將這些積木製作成八字形。

「透過八字形形狀，我們可以限製磚塊，同時將它們組裝成具有一定曲率的牆壁，」馬西米諾說。

踏腳石

團隊列印了玻璃磚，並在工業液壓機中測試了它們的機械強度，擠壓磚直到它們開始斷裂。研究人員發現，最堅固的磚塊能夠承受與混凝土塊可承受的壓力相當的壓力。這些最堅固的磚塊主要由印刷玻璃製成，具有單獨製造的聯鎖功能，連接在磚塊的底部。

這些結果表明，大部分砌體磚可以由印刷玻璃製成，具有可以印刷、鑄造或由不同材料單獨製造的聯鎖特徵。

「玻璃是一種加工起來很複雜的材料，」貝克爾說。“由不同材料製成的互鎖元件在這個階段表現出了最大的希望。”

該團隊正在研究是否可以用印刷玻璃製造更多的磚塊聯鎖功能，但不認為這會阻礙擴大設計規模。為了展示玻璃磚的潛力，他們建造了一座由互鎖玻璃磚組成的弧形牆。接下來，他們的目標是建造越來越大的自支撐玻璃結構。

「我們對材料的局限性以及如何擴展有了更多的了解，」斯特恩說。「我們正在考慮成為建築物的墊腳石，並希望從像亭子這樣的東西開始——一種人類可以與之互動的臨時結構，然後你可以將其重新配置成第二種設計。你可以想像這些塊可以經歷很多人生。

更多資訊：Daniel Massimino 等人，連鎖玻璃磚造單元的積層製造，玻璃結構與工程（2024）。DOI：10.1007/s40940-024-00279-8

這個故事由麻省理工學院新聞轉載（web.mit.edu/新聞辦公室/），一個熱門網站，涵蓋有關麻省理工學院研究、創新和教學的新聞。