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 21 века.

По этим причинам исследовательская группа NTU пытается найти способы переработки стекла путем 3D-печати в предметы повседневного использования.

Одно из их нововведений, недавно опубликованное в Journal of Building Engineering , заключалось в использовании специально разработанной бетонной смеси, состоящей из переработанного стекла, коммерческих цементных продуктов, воды и добавок для 3D-печати бетонной скамьи. Выяснив оптимальный состав бетона, исследовательская группа NTU смогла успешно напечатать на 3D-принтере L-образную скамью высотой 40 см продукт.

В ходе лабораторных испытаний на сжатие и испытаний на качество (прочность) нитей напечатанная на 3D-принтере структура показала превосходную сборочную способность — печатный бетон не деформируется и не разрушается до затвердевания бетона — и экструдируемость, что означает, что специальная бетонная смесь достаточно жидкая, чтобы течь 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% из 74 000 тонн стеклянных отходов, образующихся в стране. Большая часть стеклянных отходов не используется в других целях, но попадает в мусоросжигательные заводы. перед вывозом на свалку.

В то время как ученые в других местах описывали использование стекла в бетонных смесях, ни один из них до сих пор не смог успешно 3D-печатать структуру с использованием бетонной смеси на основе стекла.

Главный исследователь исследования профессор Тан Мин Джен из Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии NTU (MAE) сказал: «Основная проблема при составлении рецептуры бетонных смесей для 3D-печати состоит в том, чтобы выяснить, сколько каждого компонента нужно добавить, чтобы получить структурно прочная конструкция с минимальными дефектами. Наша команда разработала осуществимую формулу, впервые продемонстрировав, что стекло действительно можно использовать для 3D-печати скамейки с превосходной структурной целостностью».

«Исследование также иллюстрирует концепцию «экономики замкнутого цикла». Стекло на 70% состоит из диоксида кремния, или кремнезема. Целью нашего исследования является возвращение кремнезема, содержащегося в стекле, для повторного использования в качестве песка в нашей бетонной смеси для 3D-печати», — добавил профессор Тан.

В результате успешной проверки концепции исследовательская группа NTU считает, что их разработка предлагает новый путь переработки стеклянных отходов и может способствовать более экологичному строительству в Сингапуре и за его пределами.

Новая разработка основана на предыдущей 3D-печати для строительных исследований профессора Тана и его команды из Сингапурского центра 3D-печати NTU (SC3DP).

Ученый NTU также стоял за проектом ванной комнаты с 3D-печатью в 2019 году, когда ванная комната без мебели была напечатана за 12 часов в Сингапуре — вдвое меньше времени, необходимого для обычного строительства того же объекта.

Последняя инновация является примером новаторского исследования, которое поддерживает стратегический план NTU 2025 , который направлен 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

Будучи вторым наиболее широко используемым веществом после воды, бетон зависит от песка как жизненно важного ингредиента, обеспечивающего его долговечность.

Отчеты Программы Организации Объединенных Наций 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% песка в бетоне для 3D-печати. 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 большое 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 печатается на 3D-принтере

Благодаря подробному и всестороннему анализу и испытаниям исследовательская группа NTU установила оптимальные параметры бетонной смеси из переработанного стекла, которые позволили бы напечатать ее на 3D-принтере.

Компоненты смеси включают переработанное стекло, измельченное до различных классов крупности (средний, тонкий 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, использованные в этом исследовательском проекте, защищены Раскрытием информации о технологиях, поданным через инновационную и корпоративную компанию NTU NTUitive, и принадлежат университету.

В дальнейшем 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 стабильной производительности.