新加坡南洋理工大学 (NTU Singapore) 的研究人员已经开发出在 3D 打印中使用再生玻璃的能力，为更环保的建筑和施工方式打开了大门。

　　玻璃是一种可以 100% 回收而不会降低质量的材料，但它是回收率最低的废物类型之一。玻璃由二氧化硅或二氧化硅组成，它是沙子的主要成分，因此它具有巨大的未开发潜力，可回收用于其他产品。

　　与此同时，由于人口增长、城市化和基础设施发展，世界正面临着沙子短缺，气候科学家称其为 21 世纪最大的可持续发展挑战之一。

　　出于这些原因，NTU 研究团队正试图通过将玻璃3D 打印到日常使用的物品中来寻找回收玻璃的方法。

　　他们最近发表在杂志上的一项创新是使用一种特殊配方的混凝土混合物，包括回收玻璃、商业水泥产品、水和添加剂，以 3D 打印混凝土工作台。通过找出最佳混凝土配方，NTU 研究团队能够成功 3D 打印一个 40 厘米高的 L 形长凳（见图），以此证明他们的材料可以 3D 打印成日常结构（承重） 产品。

　　在实验室压缩测试和长丝质量（强度）测试中，3D 打印结构显示出出色的可建造性（打印的混凝土在混凝土固化之前不会变形或塌陷）和可挤出性，这意味着特殊的混凝土混合物具有足够的流动性，可以流过软管和打印喷嘴。

回收玻璃的新途径

　　根据新加坡国家环境局的最新数据，2021 年，该国产生的 74,000 吨玻璃废料中只有 13% 被回收利用。大部分玻璃废料没有被充分用于其他用途，大部分进入焚化炉在被丢弃在垃圾填埋场之前。

　　虽然其他地方的科学家已经描述了玻璃在混凝土混合物中的使用，但直到现在，他们都无法使用玻璃基混凝土混合物成功地 3D 打印结构。

　　该研究的首席研究员、南大机械与航空航天工程学院 (MAE) 教授说：“配制 3D 打印混凝土混合物的主要挑战是弄清楚每种成分要添加多少才能获得“结构合理，缺陷最少。我们的团队提出了一个可行的公式，首次证明玻璃确实可以用于 3D 打印具有出色结构完整性的长凳。”

　“这项研究还体现了‘循环经济’的概念。70% 的玻璃由二氧化硅或二氧化硅组成。我们的研究基本上是将玻璃中发现的二氧化硅作为沙子重新用于我们的 3D 打印混凝土混合物中，”教授补充道。

　　由于成功的概念验证，NTU 研究团队相信他们的开发为回收玻璃废料提供了一条新途径，并且可以为新加坡及其他地区的绿色建筑和建筑业做出贡献。

　　新的发展建立在谭教授和他的团队在南大新加坡 3D 打印中心 (SC3DP) 之前进行的建筑研究 3D 打印的基础上。

　　这位 NTU 科学家还支持 2019 年的 3D 打印浴室项目，该项目在新加坡在 12 小时内打印出一间没有家具的浴室——这是同一设施传统建造所需时间的一半。

　　最新的创新是支持 NTU 2025战略计划的开创性研究的一个例子，该计划旨在解决人类在可持续性方面面临的巨大挑战，并加速将研究发现转化为减轻人类对环境影响的创新。

替代混凝土中的沙子

　　作为仅次于水的第二广泛使用的物质，混凝土依靠沙子作为重要成分来确保其耐久性。

　　联合国环境规划署的报告还显示，在世界范围内，从河流中大量抽取沙子已导致污染、洪水和其他环境后果。

　　研究人员说：“我们的研究表明，再生玻璃可用于替代混凝土中高达 100% 的沙子，用于 3D 打印。结果是混凝土具有符合工业标准的机械强度的长凳。鉴于沙子的开发速度远远快于自然补充的速度，在建筑和施工中使用再生玻璃的前景变得越来越有吸引力。我们相信我们的发展有很大有可能在未来缓解该行业对沙子的需求。”

　　此外，由于玻璃是一种天然疏水的材料——这意味着它不吸水——需要更少的水来制造适合 3D 打印使用的混凝土混合物。

L型长凳是如何3D打印的

　　通过详细而广泛的分析和测试，NTU 研究团队确定了可再生玻璃混凝土混合物的最佳参数，使其能够进行 3D 打印。

　　该混合物的成分包括粉碎成不同尺寸等级（中、细和超细）的回收玻璃、商业水泥产品、水和其他添加剂。

　　为了实现打印，该团队调整了 3D 打印机的控制系统，以使喷嘴的流速与混凝土的硬化特性相匹配。

　　然后使用打印体积为 1.2 米 x 1.2 米 x 1 米的 4 轴龙门机器人打印机在单个构建中进行打印。专门设计的混凝土混合物被送入泵中，并输送到安装在机械臂上的喷嘴，根据数字蓝图逐层沉积材料。

　　该研究项目中使用的技术和专有技术受到通过南大创新和企业公司 NTUitive 提交的技术披露的保护，并归该大学所有。

展望未来，NTU 研究团队将与新加坡初创公司 Soda Lemon 合作，研究使用再生玻璃混凝土混合物 3D 打印更大规模和更多样化的结构，并优化打印算法以实现一致的性能。