Будущее кирпича в 3D-печатных архитектурных компонентах

Переосмысление древнего материала для цифровой эпохи

На протяжении тысячелетий кирпич был одним из самых фундаментальных строительных материалов человечества. От зиккуратов Месопотамии до викторианских террас Лондона обожженные глиняные блоки сформировали нашу построенную среду с почти идеальным балансом прочности, тепловой массы и эстетического тепла. Тем не менее, за всю свою историю кирпичное производство мало изменилось в своей основе: сырая глина выдавливается, режется, высушивается и обжигается в массивных печи. Формы ограничены призмами, а пользовательские профили требуют дорогих форм. Введите 3D-печать - или аддитивное производство - которое обещает полностью переписать эту формулу. Выйдя замуж за древнюю глину с современной роботизированной экструзией, архитекторы и инженеры теперь создают кирпичные компоненты, которые легче, прочнее, сложнее и более устойчивы, чем что-либо ранее достижимое.

Аддитивное производство уже произвело революцию в прототипировании в аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности. В строительстве оно переходит от новизны к практическому применению: целые дома были напечатаны на месте с использованием бетона, а сборные панели вступают в коммерческое использование. Кирпич, однако, занимает уникальную нишу. Как обожженная керамика, он предлагает долговечность и проверенную временем палитру материалов, которую бетонная печать не может полностью воспроизвести. 3D-печатные кирпичные компоненты могут интегрировать сложные решетчатые структуры, внутренние пустоты для изоляции или маршрутизации и органические геометрии, которые минимизируют использование материала при максимизации конструктивных характеристик.

В этой статье исследуется текущее состояние и будущая траектория 3D-печатных кирпичных компонентов, исследуются технологии, материальные инновации, возможности дизайна и препятствия, которые остаются до того, как это сочетание традиций и технологий станет основным.

Эволюция кирпича: от ручного прессования до роботизированного экструдирования

Чтобы понять, куда идет кирпич, он помогает оценить, где он начался. Самые ранние высушенные на солнце кирпичи из грязи появились около 7000 г. до н.э. в современной Турции. Огненные кирпичи следовали около 3500 г. до н.э., обеспечивая постоянные структуры в древнем Египте, Китае и Риме. Римская империя усовершенствовала стандартизированные размеры кирпича и разработала печи, способные к последовательному стрельбе. Промышленная революция представила механизированные мопсовые мельницы и непрерывные печи Хоффмана, которые остаются основой современного производства кирпича. Несмотря на эти достижения, фундаментальный процесс - выдавливание прямоугольной колонны, вырезание ее по длине, сушка и стрельба - мало изменился за два столетия.

Аддитивное производство предлагает смену парадигмы. Вместо того, чтобы вырезать призму из непрерывной колонки, 3D-печать откладывается материал слой за слоем, позволяя каждому кирпичу иметь уникальную внутреннюю и внешнюю форму. Эта возможность была впервые продемонстрирована с помощью керамики исследователями в 1990-х годах, используя методы печати на основе шлама. Сегодня существует несколько различных подходов:

• Роботизированная глиняная экструзия:] Роботизированная рука, снабженная соплом, откладывается непрерывной бусиной из глиняной пасты, сооружая стены и засыпая узоры.Это ближайший аналог традиционной кирпичной экструзии, но робот может двигаться в любом направлении, создавая кривые, свесы и переменную толщину стен.
• Быстрый выброс золы: Порошкообразный керамический или земляной материал распространяется тонким слоем, и жидкое связующее избирательно наносится на частицы плавления. Это позволяет очень тонко детализировать и сложные внутренние каналы, но полученная часть хрупка до тех пор, пока не будет разогнана.
• Лазерное спекание глиняных порошков:] Используя лазер для сплавления керамических частиц, этот метод дает детали высокой плотности с отличными механическими свойствами, хотя он медленнее и более энергоемкий.
• Гибридные подходы: Комбинирование экструдированной глины с роботизированной обрезкой или отделкой поверхности для достижения как скорости, так и точности.

Каждая технология имеет компромиссы между скоростью, разрешением, совместимостью материалов и стоимостью. Для архитектурных компонентов, которые должны быть прочными, устойчивыми к погодным условиям и пожаробезопасными, роботизированная экструзия глины стала наиболее перспективной из-за ее способности использовать обычные глиняные тела и процессы обжига.

Материальные инновации: за пределами традиционной глины

В то время как обычная глина подходит для многих проектов кирпича, напечатанных на 3D-принтере, исследователи активно разрабатывают специализированные пасты, которые повышают производительность или устойчивость. Одной из важнейших проблем является реология: печатная паста должна быть достаточно жесткой, чтобы удерживать свою форму после экструзии, но достаточно жидкой, чтобы протекать через сопло без засорения. Тиксотропные добавки, такие как эфиры целлюлозы или наноглины, часто смешиваются с глиной для достижения этих свойств.

Другие материальные инновации включают:

• Переработанные агрегаты: Раздробленный кирпич, стекло или бетон могут заменить часть первичной глины, уменьшая отходы свалки и воплощенную энергию. Например, исследовательская группа из Foster + Partners провела испытания смесей, содержащих до 30% переработанного строительного мусора без ущерба для печати или огнестойкости.
• Геополимерные связующие: Эти щелочно-активированные материалы, полученные из муховой золы или шлака, не требуют высокотемпературной обжига, сокращая выбросы CO2 на целых 80%. Геополимерные «кирпичи» можно отверждать при комнатной температуре, устраняя необходимость в печи.
• Клееобразные глины: Добавление коротких волокон (углерода, стекла или базальта) в глиняную пасту повышает прочность на растяжение и уменьшает растрескивание при сушке и обжигании.Это особенно важно для тонкостенных или решетчатых структур.
• Биокерамика: Конопляные швы, солома или мицелий могут быть смешаны с глиной для создания легких, изоляционных кирпичей, которые полностью компостируются в конце жизни.

Эти материальные инновации не просто академические. Несколько стартапов коммерциализируют 3D-печатные кирпичи, изготовленные из местных почв (в эквиваленте с протараненной землей), снижая транспортные расходы и поддерживая круговое строительство. Возможность адаптировать смесь материалов к местной доступности является основным преимуществом для отдаленных или развивающихся регионов.

Возможности дизайна: сложность без штрафа

Возможно, самым захватывающим аспектом 3D-печатных кирпичных компонентов является освобождение от прямоугольной призмы. Традиционные формы кирпича ограничены необходимостью скользить через штамп и выдерживать резку проводов. При аддитивном производстве единственными геометрическими ограничениями являются досягаемость машины и законы статики. Архитекторы теперь могут проектировать кирпичи с:

• Внутренние пустоты для изоляции и обслуживания работают: Вместо бурения или резки позже, воздуховоды HVAC, электрические трубопроводы и сантехника могут быть интегрированы непосредственно в геометрию кирпича. Это уменьшает количество рабочих и материальных отходов на месте.
• Органические, плавные формы: Изогнутые стены, скрученные колонны и разветвленные структуры, имитирующие естественные формы, становятся осуществимыми.ArchDaily представила несколько проектов, в которых 3D-печатные кирпичи создают замысловатые фасадные экраны, которые играют со светом и тенью.
• Сортовая плотность: Внутреннее убранство кирпича может быть напечатано с разреженным рисунком заполнения для уменьшения веса и использования материала, в то время как внешняя оболочка остается плотной для долговечности и устойчивости к погодным условиям.
• Таможенные стыковочные соединения:] Вместо раствора кирпичи могут иметь мужские и женские соединители, что позволяет осуществлять сухую сборку. Это ускоряет конструкцию, уменьшает количество отходов и позволяет легко разбирать и повторно использовать — ключевые принципы круговой конструкции.

Одним из примечательных примеров является концепция «Droneport» от Foster + Partners, которая предложила 3D-печатные кирпичные компоненты для быстро реагирующей строительной системы в зонах бедствия. Кирпичи будут производиться локально с использованием роботизированной глиняной экструзии, собранной без раствора, и могут быть перепечатаны на месте по мере необходимости. Хотя они все еще концептуальны, они иллюстрируют, как 3D-печатные кирпичи могут обеспечить децентрализованную, устойчивую архитектуру.

Оригинальное название: The Gaia House Project

В 2022 году исследователи из ETH Zurich завершили строительство Gaia House, полуавтономного жилища, изготовленного в основном из 3D-печатных глиняных кирпичей. Стены были напечатаны на месте с помощью роботизированной руки, которая экструдировала запатентованную глиняно-земную смесь. В кирпичах была реализована решетка внутренней структуры, которая сократила расход материала на 60% по сравнению с твердой стеной при сохранении прочности конструкции. Здание было закончено с распыленным на глиняном рендере, а традиционного обжига удалось избежать с помощью геополимерных связующих. Gaia House достиг почти нулевого воплощенного углерода и был проверен на тепловые характеристики, показывая стабильные внутренние температуры с минимальным нагревом.

Этот случай демонстрирует, что 3D-печатный кирпич — это не далекая фантазия, а современная реальность, хотя она все еще ограничивается демонстрационными проектами. Коммерческое принятие потребует увеличения скорости производства, стандартизации материалов и укрепления доверия между регуляторами и страховщиками.

Устойчивость: более глубокий взгляд

Кирпич часто критикуют за его высокое потребление энергии во время стрельбы — типичная печь работает при 900-1100°C в течение нескольких дней. Однако 3D-печать может резко уменьшить воздействие на окружающую среду кирпичных компонентов несколькими способами:

• Материальная эффективность: Поскольку печать откладывается только там, где это необходимо, отходы практически устраняются. Традиционное производство кирпича может потерять 5-10% материала для резки, поломки и отрубов. При 3D-печати единственным отходом является материал поддержки (если таковой имеется) и образцы для испытаний.
• Сокращение транспорта: Роботизированные принтеры могут быть доставлены на строительную площадку, что позволяет получать сырую глину на месте. Это позволяет избежать доставки тяжелых кирпичей на сотни километров. Исследование, проведенное Технологическим институтом Массачусеттса , показало, что 3D-печать на месте может сократить выбросы от транспортировки для кирпичного строительства на 30-50%.
• Низкотемпературные связующие: Как отмечается, глиняные принты с геополимером и воздушным отверждением вообще избегают обжига, сокращая энергию процесса.Даже при необходимости обжига более тонкие секции и контролируемая геометрия печатных кирпичей позволяют быстрее, более равномерно нагреваться, снижая расход топлива.
• Печатные кирпичи могут быть спроектированы для разборки. Если здание позже снесено, кирпичи могут быть очищены, перезаземлены в глиняный порошок и перепечатаны в новые компоненты. Это создает замкнутый цикл, который почти невозможен с обычными кирпичными стенами.