Glass AM 能否成为建筑领域的新实践？… – 3D打印行业资讯网

麻省理工学院 (MIT) 和 Evenline 的研究人员探索了使用 3D 玻璃打印为建筑行业生产互锁石块的可能性。

这项研究发表在 Springer Nature 杂志上，探讨了与传统玻璃成型方法相比，增材制造玻璃如何提高设计灵活性并降低模具成本。尽管研究表明增材制造玻璃具有创造创新建筑组件的潜力，但大规模应用还需要进一步改进。

该研究得到了麻省理工学院图书馆提供的开放获取资金以及 Amar G. Bose 教授研究资助计划和麻省理工学院研究支持委员会的支持。

开发采用增材制造玻璃的联锁砌块

研究人员表示，该研究的重点是开发使用增材制造玻璃的砖石联锁装置，无需粘合剂即可连接建筑构件。相反，组件依靠互连的元素来提供结构稳定性。这种方法符合建筑行业对循环建筑的日益重视，旨在最大限度地减少浪费并提高材料的可回收性。

为了进行这项研究，研究人员使用了 G3DP3 打印机，这是一种玻璃打印平台，能够打印尺寸最大为 32.5 x 32.5 x 38 厘米的物体，考虑到尺寸限制，模块化石块被设计成可以组装成更大的尺寸。结构。

该研究测试了三种制造方法：全空心（FH），其中涉及打印没有互锁元件的空心元件；印刷铸造 (PC)，将印刷和铸造结合起来，将熔融玻璃倒入预先印刷的块中以创建联锁元件；完全印刷（FP），其中包括锁定元件在内的所有组件都是直接印刷的。

对每种方法的几何精度、表面粗糙度和机械强度进行了评估，以评估其生产结构坚固的石块的可行性。

主要测试和分析结果

该研究测试了每个元素的强度，特别关注初始失效和最终强度。结果因生产方法而异。 FH单元表现出最大的强度，初始断裂强度范围为3.64至42.3 MPa，极限强度范围为64.0至118 MPa。

此外，PC组件表现出中等的性能，但其中一些组件由于铸造过程中的热冲击而破裂。 FP器件的机械强度最低，但作为可回收的全玻璃材料，它们显示出未来的发展潜力。

除了强度之外，还评估了几何精度和表面粗糙度。 FH 机器实现了最高精度，尺寸偏差小于 1 毫米，标准偏差为 0.14-1.6 毫米，这得益于打印后处理，可实现更光滑的表面和更好的结构特性。

然而，由于铸造过程中的温度不匹配，PC 块表现出显着的尺寸变化，导致变形和裂纹。它们的表面较粗糙，尤其是与石墨模具接触的表面，导致应力集中增加和机械强度下降。

FP 设备的精度高于 PC 设备，但精度低于 FH 设备。石墨打印平台的表面纹理问题，尤其是 1 x 1 毫米网格的问题，会导致局部变形并对性能产生负面影响。

一般来说，较光滑的表面（例如 FH 块中的表面）可改善结构完整性，而 PC 和 FP 块中较粗糙的表面会导致过早失效，这凸显了进一步改进的必要性。

对建筑和循环设计的影响

除了评估每种方法的结构能力之外，研究人员还研究了增材制造玻璃对可持续建筑实践的更广泛影响。 FP 和 PC 块完全由玻璃制成，具有更大的回收潜力，而 FH 块由于使用单独的联锁组件而难以回收，因此带来了挑战。

虽然 FH 单元在建筑中具有最直接的实际应用潜力，但由于其耐用性和生产速度更快，FP 单元可以作为创建可回收全玻璃组件的长期解决方案。

然而，PC 方法耗时且容易因热冲击而产生裂纹，而 FP 块由于表面粗糙度和印刷过程中的不一致而表现出较低的机械强度。

因此，研究人员建议进一步研究以改进 FP 工艺，特别是通过优化表面纹理和刀具路径来提高强度和生产率。他们还建议探索一种混合铸造-打印方法，其中首先铸造互连的组件，然后在顶部 3D 打印剩余的结构，以减少氧化并提高效率。

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以前使用过3D玻璃打印吗？

除建筑领域外，3D 玻璃打印此前已用于多种用途。

弗莱堡大学的研究人员与 Nanoscribe 合作，利用双光子聚合技术 3D 打印石英玻璃微结构。使用 Glassomer 材料，该团队能够制造出表面粗糙度极低（6 纳米）的复杂物体，这比其他玻璃组件中常见的 40-200 纳米的表面粗糙度要光滑得多。

在其他地方，麻省理工学院林肯实验室的研究人员开发了一种新的低温方法，使用在 250°C 下固化的特殊墨水来 3D 打印玻璃物体，而不是需要超过 1,000°C 的温度的传统方法。

他们的纳米复合材料方法创造了具有独特特性的玻璃元件，包括电容器和电阻器。尽管光学透明度仍然是一个挑战，但该团队相信他们的方法可以实现微系统的生产并改善玻璃和陶瓷行业，在电子和微流体领域提供广泛的应用。

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该图显示了在机械测试之前以壁挂式配置组装在一起的所有制造单元。照片来自麻省理工学院。