Gli scienziati di NTU Singapore utilizzano rifiuti di vetro riciclato come sostituto della sabbia nella stampa 3D
I ricercatori della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) hanno sviluppato la capacità di utilizzare il vetro riciclato nella stampa 3D, aprendo le porte a un modo più ecosostenibile di costruire e costruire.
Il vetro è un materiale che può essere riciclato al 100% senza alcuna riduzione della qualità, eppure è uno dei tipi di rifiuti meno riciclati. Il vetro è costituito da biossido di silicio, o silice, che è un componente importante della sabbia, e quindi offre un notevole potenziale non sfruttato per essere riciclato in altri prodotti.
Allo stesso tempo, a causa dell’aumento della popolazione, dell’urbanizzazione e dello sviluppo delle infrastrutture, il mondo sta affrontando una carenza di sabbia, con gli scienziati del clima che la definiscono una delle maggiori sfide di sostenibilità del 21° secolo.
Per questi motivi, il team di ricerca della NTU sta cercando di trovare modi per riciclare il vetro stampandolo in 3D in oggetti di uso quotidiano.
Una delle loro innovazioni pubblicate di recente sul Journal of Building Engineering , utilizzava una miscela di calcestruzzo appositamente formulata comprendente vetro riciclato, prodotti in cemento commerciale, acqua e additivi per stampare in 3D una panca di cemento . Determinando la formulazione ottimale del calcestruzzo, il team di ricerca NTU è stato in grado di stampare con successo in 3D una panca a forma di L alta 40 cm (vedi immagine) come prova del concetto che il loro materiale potrebbe essere stampato in 3D in una struttura quotidiana (portante ) Prodotto.
Nei test di compressione in laboratorio e nei test di qualità (resistenza) del filamento, la struttura stampata in 3D ha mostrato un’eccellente costruibilità – il calcestruzzo stampato non si deforma o collassa prima che il calcestruzzo si indurisca – ed estrudibilità , il che significa che la speciale miscela di calcestruzzo è sufficientemente fluida da fluire attraverso i tubi flessibili e ugello di stampa.
Un nuovo percorso per il riciclo del vetro
Secondo gli ultimi dati della National Environment Agency di Singapore, solo il 13 per cento delle 74.000 tonnellate di rifiuti di vetro generati nel Paese è stato riciclato nel 2021. Senza essere sfruttato appieno per altri scopi, la maggior parte dei rifiuti di vetro finisce nella inceneritori prima di essere smaltiti in discarica.
Mentre altri scienziati hanno descritto l’uso del vetro nelle miscele di cemento, nessuno di loro è stato in grado di stampare con successo una struttura in 3D utilizzando una miscela di cemento a base di vetro, fino ad ora.
Il ricercatore principale dello studio, il professor Tan Ming Jen della NTU School of Mechanical and Aerospace Engineering (MAE) , ha dichiarato: “La sfida principale nella formulazione di miscele di calcestruzzo stampabili in 3D è capire quanto di ciascun componente aggiungere per ottenere un struttura strutturalmente sana con minimi difetti. Il nostro team ha escogitato una formula fattibile, dimostrando per la prima volta che il vetro può effettivamente essere utilizzato per stampare in 3D un banco con un’eccellente integrità strutturale”.
“La ricerca esemplifica anche il concetto di ‘Economia Circolare’. Il 70% del vetro è costituito da biossido di silicio o silice. Quello che fa la nostra ricerca è essenzialmente restituire la silice trovata nel vetro per essere riutilizzata come sabbia nella nostra miscela di calcestruzzo per la stampa 3D”, ha aggiunto il prof. Tan.
Come risultato del successo del proof-of-concept, il team di ricerca NTU ritiene che il loro sviluppo offra un nuovo percorso per il riciclaggio dei rifiuti di vetro e possa contribuire a un settore edile e edile più ecologico per Singapore e oltre.
Il nuovo sviluppo si basa sulla precedente stampa 3D per la ricerca edile del Prof Tan e del suo team presso il Singapore Center for 3D Printing (SC3DP) della NTU.
Lo scienziato della NTU era anche dietro il progetto del bagno stampato in 3D nel 2019, in cui un bagno non arredato è stato stampato in 12 ore a Singapore, la metà del tempo necessario per la costruzione convenzionale della stessa struttura.
L’ultima innovazione è un esempio di ricerca rivoluzionaria che supporta il piano strategico NTU 2025 , che cerca di affrontare le grandi sfide dell’umanità sulla sostenibilità e accelerare la traduzione delle scoperte della ricerca in innovazioni che mitigano l’impatto umano sull’ambiente.
Sostituzione della sabbia nel cemento
Essendo la seconda sostanza più utilizzata dopo l’acqua, il calcestruzzo si basa sulla sabbia come ingrediente fondamentale per garantirne la durata.
I rapporti del Programma delle Nazioni Unite per l’ambiente hanno anche rivelato che in tutto il mondo, l’estrazione aggressiva di sabbia dai fiumi ha portato a inquinamento, inondazioni e altre conseguenze ambientali.
Il primo autore dello studio condotto dalla NTU, Andrew Ting, ricercatore presso l’SC3DP , ha dichiarato: “La nostra ricerca ha dimostrato che il vetro riciclato può essere utilizzato per sostituire fino al 100% della sabbia nel calcestruzzo per la stampa 3D. Il risultato è una panca in cemento con una resistenza meccanica che soddisfa gli standard industriali accettabili. Dato che la sabbia viene sfruttata a un ritmo molto più rapido di quanto possa essere reintegrata naturalmente, la prospettiva di utilizzare il vetro riciclato nell’edilizia e nell’edilizia sta diventando più attraente. Riteniamo che il nostro sviluppo abbia un grande potenziale per alleviare la domanda di sabbia per questo settore in futuro”.
Inoltre, poiché il vetro è un materiale naturalmente idrofobo, il che significa che non assorbe acqua, è necessaria meno acqua per creare una miscela di calcestruzzo adatta alla stampa 3D.
Come viene stampata in 3D la panca a forma di L
Attraverso analisi e test dettagliati e approfonditi, il team di ricerca NTU ha stabilito i parametri ottimali per la miscela di cemento e vetro riciclato che ne consentirebbe la stampa 3D.
I componenti della miscela includono vetro riciclato frantumato in diverse classi dimensionali (Medio, Fine e Superfine), cemento commerciale, acqua e altri additivi.
Per consentire la stampa, il team ha regolato i sistemi di controllo della stampante 3D per adattare la portata dell’ugello alle proprietà di indurimento del calcestruzzo.
La stampa è stata quindi eseguita in un’unica struttura utilizzando una stampante robotica a portale a 4 assi che ha un volume di stampa di 1,2 metri x 1,2 metri x 1 metro. La miscela di calcestruzzo appositamente progettata è stata alimentata a una pompa e trasportata a un ugello montato sul braccio robotico, depositando il materiale strato dopo strato secondo il progetto digitale.
La tecnologia e il know-how impiegati in questo progetto di ricerca sono protetti da un Technology Disclosure depositata tramite la società di innovazione e impresa di NTU, NTUitive, ed è di proprietà dell’università.
Andando avanti, il team di ricerca NTU, in collaborazione con la start-up di Singapore Soda Lemon , esaminerà la stampa 3D su scala più ampia e strutture più diversificate utilizzando il mix di calcestruzzo di vetro riciclato e ottimizzerà l’algoritmo di stampa per prestazioni coerenti.
