Чи змінить перероблений пластик будівництво? 3D-друк MIT довів витривалість під стандартами HUD

Пляшка з-під води – у ролі несної конструкції? Інженери Массачусетського технологічного інституту показали, що це не фантастика. Вони надрукували конструкційні ферми для підлоги з переробленого пластику та випробували їх за будівельними нормами.

Як усе починалося: від дефіциту житла до сміливої ідеї

Ще до нинішнього експерименту дослідники MIT попереджали: світ стрімко наближається до дефіциту житла, а традиційні матеріали, зокрема деревина, мають екологічну ціну. У 2019 році в межах Laboratory for Manufacturing and Productivity було створено групу MIT HAUS, яка взяла курс на будівництво з перероблених полімерів за допомогою великоформатного адитивного виробництва. На ринку вже тестують друк будинків із бетону чи глини, але ці підходи мають суттєвий вуглецевий слід і здебільшого обмежуються стінами. Команда MIT HAUS пішла далі – до структурної “начинки” оселі: паль, підлогових і дахових ферм, стояків стін, косоурів сходів та балок. Їхня довгострокова мета – задіяти “брудний” пластик, який не потребує попереднього миття, у повноцінних будівельних елементах.

Ключова подія: 3D-друк ферм і випробування на міцність

У новому дослідженні інженери представили дизайн підлогової ферми з переробленого пластику з високим співвідношенням жорсткості до ваги. Спершу вони промоделювали кілька варіантів і обрали схему, близьку до класичної “драбини” з діагональними трикутними вставками, підсилену на вузлах. Далі команда надрукувала чотири ферми довжиною 8 футів, висотою 1 фут і товщиною близько 1 дюйма на промисловому принтері MIT’s Bates Research and Engineering Center, що працює зі швидкістю до 80 фунтів матеріалу на годину. Сировиною слугували гранули рецикльованого PET зі скловолокном від аерокосмічної компанії – такий композит підвищує придатність до друку і довговічність. Ферми розмістили паралельно, закріпили листом фанери та зібрали каркас формату 4-на-8 футів для випробувань під навантаженням.

«Ми оцінили, що світові до 2050 року знадобиться близько одного мільярда нових домівок. Якби ми будували їх із деревини, довелося б вирубати еквівалент Амазонії тричі», – зазначає AJ Perez з MIT. «Наша мета – перетворювати “брудний” пластик на будівельні вироби для легших, довговічніших і стійкіших осель».

Реакція і перші висновки: стандарти дотримано, потенціал підтверджено

Зібрану конструкцію навантажували мішками з піском і бетоном, фіксуючи прогини. На рівні 300 фунтів система показала прогин, що відповідає стандартам HUD США щодо допустимих деформацій. Дослідники продовжили збільшувати вагу – лише при навантаженні понад 4 000 фунтів ферми дали тріщини та зім’ялися. За жорсткістю надруковані елементи відповідають чинним будівельним кодам у США, а кожна ферма важить близько 13 фунтів і друкується менш ніж за 13 хвилин – це легше і швидше, ніж у випадку порівнянних дерев’яних аналогів. У науковій спільноті на це дивляться як на переконливе підтвердження життєздатності підходу в структурних застосуваннях.

Що вже змінилося: практичні результати експерименту

Пілот продемонстрував, що 3D-друк з переробленого пластику може забезпечити несні елементи для житла, а не лише декоративні чи огороджувальні конструкції. Наразі ключовим завданням є зниження собівартості до рівня деревини і перехід від “крему” рециклінгу до насправді “брудних” потоків відходів. Тим часом команда паралельно відпрацьовує інші елементи каркаса, щоб скласти повну рамну систему для будинку скромних розмірів.

• Навантажувальна спроможність: каркас витримав послідовні випробування і зазнав руйнування лише після перевищення позначки понад 4 000 фунтів.
• Відповідність нормам: за показниками прогину на 300 фунтах конструкція пройшла ключові стандарти Департаменту житлового будівництва та міського розвитку США (HUD).
• Оперативність і вага: кожна ферма важить близько 13 фунтів і друкується приблизно за 13 хвилин на промисловому обладнанні.

Що далі: “брудний” пластик, мікрофабрики та масштабування

Наступний крок – довести можливість друку з по-справжньому “брудної” сировини, як-от використані пляшки з залишками рідини, і вивчити вплив домішок на якість виробів. Перспектива полягає у розгортанні мікрофабрик адитивного виробництва біля місць концентрації відходів – від стадіонів до центрів сортування – з подрібненням, грануляцією і миттєвим друком будівельних елементів. Такі частини легкі в логістиці – їх можна везти пікапом чи навіть мопедом туди, де житло потрібне найбільше. Дослідження виконано за підтримки фонду Gerstner Foundation, гранту Chandler Health of the Planet та компанії Cincinnati Incorporated. У перспективі, якщо буде досягнуто паритету вартості з деревиною, перероблений пластик може стати масштабною альтернативою у каркасному будівництві.

«Ми починаємо розуміти, як обробляти і друкувати справді “брудний” пластик. Наші питання прості: для чого придатний небажаний пластик і як використовувати його як є?» – підсумував AJ Perez.