近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）和緬因大學的研究人員利用天然材料開發(fā)出了一種可回收的3D打印地板，這種地板足夠堅固，可以替代建筑中的鋼材。該項目是可持續(xù)材料和可再生技術(shù)制造聯(lián)盟（SM2ART）計劃的一部分。

據(jù)該團隊稱，SM2ART Nfloor 盒式面板比通常用于多層建筑的類似鋼和混凝土元件更環(huán)保且制造速度更快。

△緬因大學采用3D打印開發(fā)的SM2ART Nfloor盒式地板

研究團隊的核心成果是SM2ART Nfloor盒式地板，這種地板由混合的聚乳酸（PLA）和木粉制成。PLA是一種來源于玉米殘渣的可生物降解熱塑性塑料，而木粉則是木材加工的副產(chǎn)品。這種混合材料不僅堅固耐用，還具備良好的可回收性，適用于大幅面3D打印。 

這項研究成果還在美國住房和城市發(fā)展部于國家廣場舉辦的2024年住房創(chuàng)新展示會上展出。

緬因大學先進結(jié)構(gòu)與復合材料中心（ASCC）的結(jié)構(gòu)工程師Scott Tomlinson表示，PLA和木粉的混合物是生產(chǎn)可回收、大尺寸增材制造部件的理想材料。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土組件相比，這種單件式地板組件不僅更堅固，還提供了更優(yōu)質(zhì)的步行體驗。

ORNL研究員Katie Copenhaver表示，通過利用基于生物的大規(guī)模3D打印技術(shù)，用單一材料的地板面板取代了由31個零件和3種材料構(gòu)成的傳統(tǒng)組件。這種地板面板不僅對生態(tài)友好，其強度也與傳統(tǒng)鋼地板相當。

△ORNL的一名研究員正在評估模擬建筑工地上的施工過程

結(jié)合材料帶來更高強度

ORNL 和 UMaine 使用聚乳酸 （PLA） 制造面板，PLA 是一種從玉米渣中提取的生物塑料，他們將其與木材加工廢料制成的木粉混合。在 PLA 中添加木粉會顯著提高其剛度，剛度是整體性能的關鍵。

根據(jù) ORNL 研究員 Katie Copenhaver 的說法，地板的強度來自這兩種材料的結(jié)合以及它的幾何形狀，它將負載分配到其外邊緣，在那里它將位于建筑物的鋼框架內(nèi)。

根據(jù)該團隊的測試，該盒式地板具有與典型鋼混凝土地板制造相同的強度，他們還表示它是可生物降解的，并且更容易在上面行走。

布線、管道和管道系統(tǒng)的通道可以在制造過程中打印出來，無需在組裝完成后剪掉它們，從而節(jié)省時間和金錢。除了生物基材料固有的碳減排之外，利用增材制造還可以高效放置結(jié)構(gòu)材料，同時集成機械、電氣和管道系統(tǒng)的路線。

在紐約布魯克林，一個生活空間模塊被吊起，以安裝到世界上最高的模塊化建筑中。類似SM2ART Nfloor 盒式面板的材料有朝一日或許能夠可以取代多層建筑中的傳統(tǒng)鋼和混凝土組件。

SM2ART Nfloor 盒式地板也是完全可回收的。與傳統(tǒng)建造的建筑物使用壽命結(jié)束后被運往垃圾填埋場的建筑材料不同，PLA 是一種可再生材料，拆除后可以重新用于制造其他產(chǎn)品。這種實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的方法提供了持續(xù)回收資源而不是將其作為廢物丟棄的能力。

此材料突顯了在模塊化、多住宅建筑中使用有機材料的潛力，并增強了城市建設的可持續(xù)性。

超大型3D打印機未來工廠 1.0

?今年4月，緬因大學先進結(jié)構(gòu)與復合材料中心推出了一款打破世界尺寸紀錄的熱塑性聚合物打印機。這款名為未來工廠 1.0 （FoF 1.0） 的新型打印機于 4 月 23 日在先進結(jié)構(gòu)和復合材料中心 （ASCC） 亮相，觀眾包括來自美國國防部、美國能源部、緬因州住房管理局、行業(yè)合作伙伴和其他計劃利用該技術(shù)的利益相關者的代表。熱塑性聚合物打印機設計用于打印 96 英尺長 x 32 英尺寬 x 18 英尺高的物體，每小時可打印高達 500 磅的物體。它為眾多行業(yè)的環(huán)保和具有成本效益的制造提供了新的機會，包括國家安全、經(jīng)濟適用房、橋梁建設、海洋和風能技術(shù)以及海上船舶制造。

FoF 1.0 不僅僅是一臺大型打印機;它可以在各種流程之間動態(tài)切換，例如大規(guī)模增材制造、減材制造、連續(xù)鋪層和機械臂操作。兩臺大型打印機可以通過共享相同的末端執(zhí)行器或處理同一零件來協(xié)作。

早些時候，研究人員利用該大型3D打印機在大約30小時內(nèi)制作出SM2ART Nfloor盒式地板，與傳統(tǒng)鋼制地板制造相比，減少了約33%的勞動力。同時，該地板設計保留了電氣、管道和通風服務所需的開口，減少了傳統(tǒng)施工中對工人開鑿開口的需求。研究人員表示，3D打印不僅節(jié)省了時間和成本，還提高了施工效率，未來在模塊化和多住宅建筑中具有廣闊的應用潛力。