零碳科技丨用木材废料和生物塑料3D打印的低碳可持续地板

近日，美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）和缅因大学的研究人员利用天然材料开发出了一种可回收的3D打印地板，这种地板足够坚固，可以替代建筑中的钢材。该项目是可持续材料和可再生技术制造联盟（SM2ART）计划的一部分。

据该团队称，SM2ART Nfloor 盒式面板比通常用于多层建筑的类似钢和混凝土元件更环保且制造速度更快。

△缅因大学采用3D打印开发的SM2ART Nfloor盒式地板

研究团队的核心成果是SM2ART Nfloor盒式地板，这种地板由混合的聚乳酸（PLA）和木粉制成。PLA是一种来源于玉米残渣的可生物降解热塑性塑料，而木粉则是木材加工的副产品。这种混合材料不仅坚固耐用，还具备良好的可回收性，适用于大幅面3D打印。 

这项研究成果还在美国住房和城市发展部于国家广场举办的2024年住房创新展示会上展出。

缅因大学先进结构与复合材料中心（ASCC）的结构工程师Scott Tomlinson表示，PLA和木粉的混合物是生产可回收、大尺寸增材制造部件的理想材料。与传统的钢筋混凝土组件相比，这种单件式地板组件不仅更坚固，还提供了更优质的步行体验。

ORNL研究员Katie Copenhaver表示，通过利用基于生物的大规模3D打印技术，用单一材料的地板面板取代了由31个零件和3种材料构成的传统组件。这种地板面板不仅对生态友好，其强度也与传统钢地板相当。

△ORNL的一名研究员正在评估模拟建筑工地上的施工过程

结合材料带来更高强度

ORNL 和 UMaine 使用聚乳酸 （PLA） 制造面板，PLA 是一种从玉米渣中提取的生物塑料，他们将其与木材加工废料制成的木粉混合。在 PLA 中添加木粉会显著提高其刚度，刚度是整体性能的关键。

根据 ORNL 研究员 Katie Copenhaver 的说法，地板的强度来自这两种材料的结合以及它的几何形状，它将负载分配到其外边缘，在那里它将位于建筑物的钢框架内。

根据该团队的测试，该盒式地板具有与典型钢混凝土地板制造相同的强度，他们还表示它是可生物降解的，并且更容易在上面行走。

布线、管道和管道系统的通道可以在制造过程中打印出来，无需在组装完成后剪掉它们，从而节省时间和金钱。除了生物基材料固有的碳减排之外，利用增材制造还可以高效放置结构材料，同时集成机械、电气和管道系统的路线。

在纽约布鲁克林，一个生活空间模块被吊起，以安装到世界上最高的模块化建筑中。类似SM2ART Nfloor 盒式面板的材料有朝一日或许能够可以取代多层建筑中的传统钢和混凝土组件。

SM2ART Nfloor 盒式地板也是完全可回收的。与传统建造的建筑物使用寿命结束后被运往垃圾填埋场的建筑材料不同，PLA 是一种可再生材料，拆除后可以重新用于制造其他产品。这种实现循环经济的方法提供了持续回收资源而不是将其作为废物丢弃的能力。

此材料突显了在模块化、多住宅建筑中使用有机材料的潜力，并增强了城市建设的可持续性。

超大型3D打印机未来工厂 1.0

今年4月，缅因大学先进结构与复合材料中心推出了一款打破世界尺寸纪录的热塑性聚合物打印机。这款名为未来工厂 1.0 （FoF 1.0） 的新型打印机于 4 月 23 日在先进结构和复合材料中心 （ASCC） 亮相，观众包括来自美国国防部、美国能源部、缅因州住房管理局、行业合作伙伴和其他计划利用该技术的利益相关者的代表。热塑性聚合物打印机设计用于打印 96 英尺长 x 32 英尺宽 x 18 英尺高的物体，每小时可打印高达 500 磅的物体。它为众多行业的环保和具有成本效益的制造提供了新的机会，包括国家安全、经济适用房、桥梁建设、海洋和风能技术以及海上船舶制造。

FoF 1.0 不仅仅是一台大型打印机;它可以在各种流程之间动态切换，例如大规模增材制造、减材制造、连续铺层和机械臂操作。两台大型打印机可以通过共享相同的末端执行器或处理同一零件来协作。

早些时候，研究人员利用该大型3D打印机在大约30小时内制作出SM2ART Nfloor盒式地板，与传统钢制地板制造相比，减少了约33%的劳动力。同时，该地板设计保留了电气、管道和通风服务所需的开口，减少了传统施工中对工人开凿开口的需求。研究人员表示，3D打印不仅节省了时间和成本，还提高了施工效率，未来在模块化和多住宅建筑中具有广阔的应用潜力。