苏黎世联邦研究人员将垃圾变成建筑用3D打印绝缘材料

2023年12月4日，南极熊获悉，苏黎世联邦理工学院公布了使用3D打印技术开发轻质建筑组件的新研究细节。

△这项研究研究了使用工业废料3D打印新型建筑材料，用于整体、轻质和隔热的墙壁结构

该学院研究人员于今年早些时候取得一项创新成果，为可持续建筑开创了新前景，既通过3D打印技术成功生产出轻质、绝缘的建筑构件。该项目由数字建筑技术小组的博士研究员Patrick Bedarf领导，项目名为Airlements。这一技术利用回收的工业废物，包括来自工业高炉的粉煤灰，制造出无水泥矿物泡沫。这一创新有望降低供暖和制冷成本，彻底改变建筑材料的使用效率。

△Airlements原型是一个墙壁角件，由四个由无水泥矿物泡沫制成的轻质独立部件组成

Airlements原型由多个独立的部件组成，可以轻松组装成墙角件等结构，体现了可持续性和效率的原则。Bedarf的研究是他博士论文的一部分，重点是创建这些元素，特别是复杂形状的元素，以最大限度地减少材料的使用。这一创新的关键在于3D打印工艺，相较于传统施工方法，它显著减少了材料浪费和二氧化碳排放。该工艺消除了对于耗时且部分可重复使用的模板的需求，这是生产复杂几何形状时常见的挑战。

△在这个帐篷中，Airlements组件在受控的温度和空气湿度下进行打印和硬化。左上角可以看到带有打印头的机械臂

在桑拿房中进行3D打印机

每个单独的原型在不到一小时的时间内完成打印，并在制造环境中经过一周的硬化，控制温度为20 – 28°C，相对湿度为20 – 70%。调节空气湿度和温度对于确保材料正确硬化且不易破裂非常关键。

为此，Bedarf开发了一个特殊的气候室：一个大型透明的帐篷状结构，机器人在其中沿着预定的打印路径移动。他描述说：“到处都是雾气和灰尘，就像在热桑拿中一样。”他指出这种新的生产方法不再需要能源密集型加工，是对早期无水泥泡沫工作的进步。后者要么必须用水泥硬化，要么随后在烤箱中高温固化。Airlements的波纹纹理在硬化过程中和最终状态下提供了额外的稳定性。

该项目将3D打印与机器人技术相结合，能够经济高效地生产定制建筑部件。Bedarf评价道：“如果没有自动化，传统的施工方法在节省材料方面非常耗时且昂贵，这种新颖的方法可以实现快速原型制作。每个组件都可以在不到一小时的时间内打印出来，然后在受控环境中经过一周的硬化过程，确保材料的完整性和耐用性。”

△使用Airlements制成的水泥及3D打印设计的结构，具有高密度结构强度（左）和绝缘特性（右）

Airlements的实际应用包括易于运输和现场组装的轻质部件。最初，Bedarf尝试使用混凝土来加固部件，但成功过渡到仅使用创新泡沫。这些组件可用作内墙和外墙的绝缘部件，并具有承重应用的潜力。

△该研究论文已发表，题目为“地质聚合物泡沫机器人3D打印轻质隔热建筑构件”（传送门）

展望未来，Bedarf与FenX（一家ETH衍生公司，利用回收的工业废物生产可持续绝缘材料）合作，计划进一步开发Airlements，重点关注承载能力和绝缘性能。这一举措与他在苏黎世联邦理工学院的学士课程“计算设计I&II”中的教学相一致。

Airlements项目不仅代表了可持续建筑领域的重大进步，而且也是该领域未来创新的前言。同时，该项目专注于降低能耗、最小化废物产生和完全可回收性。