Исследователи из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработали возможность использования переработанного стекла в 3D-печати, открывая двери для более экологичного способа строительства.
Стекло - это один из материалов, который может быть переработан на 100% без ухудшения качества, но это один из наименее перерабатываемых видов отходов. Стекло состоит из диоксида кремния, или кремнезема, который является основным компонентом песка, и поэтому обладает значительным неиспользованным потенциалом для переработки в другие продукты.
В то же время из-за роста населения, урбанизации и развития инфраструктуры мир сталкивается с нехваткой песка, и ученые-климатологи называют это одной из самых серьезных проблем устойчивого развития в 21 веке.
По этим причинам исследовательская группа NTU ищет способы переработки стекла путем 3D-печати в предметы повседневного использования.
Одна из их инноваций, недавно опубликованная в Journal of Building Engineering, заключалась в использовании специально разработанной бетонной смеси, состоящей из переработанного стекла, коммерческих цементных продуктов, воды и добавок, для 3D-печати бетонной скамьи. Выяснив оптимальную рецептуру бетона, исследовательская группа NTU смогла успешно напечатать на 3D-принтере L-образную скамью высотой 40 см (см.) продукт.
В ходе лабораторных испытаний на сжатие и испытаний на качество (прочность) нитей напечатанная на 3D-принтере структура показала превосходную сборочную способность - напечатанный бетон не деформируется и не разрушается до затвердевания бетона - и экструдируемость, что означает, что специальная бетонная смесь достаточно жидкая, чтобы поток через шланги и печатающее сопло.
Новый путь переработки стекла
Согласно последним данным Национального агентства по окружающей среде Сингапура, в 2021 году было переработано только 13 процентов из 74 000 тонн стеклянных отходов, образующихся в стране. стеклянные отходы попадают в мусоросжигательные заводы, а затем выбрасываются на свалку.
Несмотря на то, что ученые в других местах описывали использование стекла в бетонных смесях, ни один из них до сих пор не смог успешно распечатать конструкцию с использованием бетонной смеси на основе стекла на 3D-принтере.
Главный исследователь исследования профессор Тан Мин Джен из Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии NTU (MAE) сказал: «Основная проблема при составлении рецептур бетонных смесей для 3D-печати состоит в том, чтобы выяснить, сколько каждого компонента добавить, чтобы получить структурно прочную конструкцию с минимальными дефектами. Наша команда придумала осуществимую формулу, впервые продемонстрировав, что стекло действительно можно использовать для 3D-печати скамейки с превосходной структурной целостностью."
«Исследование также иллюстрирует концепцию «экономики замкнутого цикла». 70 процентов стекла состоит из диоксида кремния или кремнезема. Целью нашего исследования является возвращение кремнезема, содержащегося в стекле, для повторного использования. снова как песок в нашей бетонной смеси для 3D-печати», - добавил профессор Тан.
В результате успешной проверки концепции исследовательская группа NTU считает, что их разработка предлагает новый способ переработки стеклянных отходов и может способствовать более экологичному строительству в Сингапуре и за его пределами.
Новая разработка основывается на предыдущей 3D-печати для строительных исследований профессора Тана и его команды из Сингапурского центра 3D-печати NTU (SC3DP).
Ученый из NTU также стоял за проектом 3D-печатной ванной комнаты в 2019 году, в рамках которого ванная комната без мебели была напечатана в Сингапуре за 12 часов - вдвое меньше времени, необходимого для обычного строительства того же объекта.
Последняя инновация является примером новаторского исследования, которое поддерживает стратегический план NTU 2025, направленный на решение серьезных проблем человечества в области устойчивого развития и ускорение преобразования научных открытий в инновации, которые смягчают воздействие человека на окружающую среду.
Замена песка в бетоне
Являясь вторым наиболее широко используемым веществом после воды, бетон полагается на песок как жизненно важный компонент, обеспечивающий его долговечность.
Отчеты Программы ООН по окружающей среде также показали, что во всем мире агрессивная добыча песка из рек привела к загрязнению, наводнениям и другим экологическим последствиям.
Первый автор исследования под руководством NTU, Эндрю Тинг, исследователь из SC3DP, сказал: «Наше исследование показало, что переработанное стекло можно использовать для замены до 100 процентов песка в бетоне для 3D-печати. В результате получается бетонная скамья с механической прочностью, соответствующей приемлемым промышленным стандартам. Учитывая, что песок эксплуатируется со скоростью, намного превышающей его естественное восполнение, перспектива использования вторичного стекла в строительстве становится все более привлекательной. Мы считаем, что наша разработка имеет большой потенциал для снижения спроса на песок для этого сектора в будущем."
Более того, поскольку стекло по своей природе является гидрофобным материалом, то есть не впитывает воду, для создания бетонной смеси, пригодной для использования в 3D-печати, требуется меньше воды.
Как L-образная скамья напечатана на 3D-принтере
Посредством подробного и обширного анализа и испытаний исследовательская группа NTU установила оптимальные параметры для бетонной смеси из переработанного стекла, которые позволили бы напечатать ее на 3D-принтере.
Компоненты смеси включают переработанное стекло, измельченное до различных классов крупности (средний, мелкий и сверхтонкий), товарный цемент, воду и другие добавки.
Чтобы обеспечить возможность печати, команда настроила системы управления 3D-принтера так, чтобы скорость потока через сопло соответствовала свойствам затвердевания бетона.
Затем печать выполнялась одной сборкой с использованием 4-осевого портального роботизированного принтера с объемом печати 1,2 м x 1,2 м x 1 м. Специально разработанная бетонная смесь подавалась насосом и транспортировалась к соплу, установленному на манипуляторе, укладывая материал слой за слоем в соответствии с цифровым чертежом.
Технологии и ноу-хау, используемые в этом исследовательском проекте, защищены Раскрытием информации о технологиях, поданным через инновационную и корпоративную компанию NTU, NTUitive, и принадлежат университету.
Двигаясь вперед, исследовательская группа NTU в сотрудничестве с сингапурской стартап-компанией Soda Lemon рассмотрит возможность 3D-печати более крупных и разнообразных структур с использованием переработанной стеклобетонной смеси, а также оптимизирует алгоритм печати для обеспечения согласованности. производительность.