緬因大學(xué)向美國參議院提議一種新型生物基3D打印防洪屏障

2021年5月18日，南極熊獲悉，緬因大學(xué)（UMaine）先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心（ASCC）的執(zhí)行主任Habib Dagher向美國參議院交通管理委員會介紹了兩款新型3D打印防洪屏障。這些生物基屏障由Dagher的團(tuán)隊建造，作為聯(lián)邦開發(fā)更強(qiáng)大和更友好的生態(tài)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)研究項目的一部分，旨在保護(hù)沿海基礎(chǔ)設(shè)施免受洪水災(zāi)害。未來，研究人員打算利用這種方法的模塊化方式來3D打印和部署一個75英尺長的防潮堤，有可能減少50%的潮汐影響。

△HabibDagher

Dagher說："這些建筑技術(shù)是實現(xiàn)未來建立起具有成本效益、有彈性的交通系統(tǒng)的關(guān)鍵。我們不能一直以固有的方式建造，并期望有不同的結(jié)果。當(dāng)我們重建道路和橋梁時，有一個絕佳的機(jī)會來允許我們使用更耐用、更可持續(xù)的先進(jìn)材料，包括復(fù)合材料，這是屬于未來更好的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)模式。"

UMaine大學(xué)的3D打印技術(shù)優(yōu)勢

雖然目前還不清楚該團(tuán)隊的防洪設(shè)備背后的技術(shù)是否又是一種全新技術(shù)，或者這些屏障本身是否代表了已有方法的最新應(yīng)用，但長期以來UMaine大學(xué)在海事3D打印領(lǐng)域內(nèi)一直是有著卓越貢獻(xiàn)的。

早在2018年10月，緬因州技術(shù)研究所（MTI）就向這所大學(xué)的ASCC投資50萬美元，以開發(fā)一種3D打印大型海洋船舶的方法。這項研究在2019年取得了成果，當(dāng)時UMaine和ASCC使用世界上最大的原型聚合物3D打印機(jī)制造了一艘破紀(jì)錄的船，在當(dāng)時，它打破了不少于三項吉尼斯世界紀(jì)錄。

這艘昵稱為 "3Dirigo "的25英尺游船實際上是使用英格索爾機(jī)床公司開發(fā)的機(jī)器制造的，它使用的是一種新型的以纖維素為基礎(chǔ)的原料，該原料是由可持續(xù)發(fā)展聯(lián)盟和橡樹嶺國家實驗室共同創(chuàng)造的。據(jù)報道，該團(tuán)隊的材料由高達(dá)50%的纖維素纖維配制而成，無毒且可導(dǎo)電，同時仍可表現(xiàn)出與鋁類似的機(jī)械強(qiáng)度。

憑借他們的生物基原料，美國能源部的研究人員之后獲得了280萬美元的資金，用于開發(fā)大型3D打印渦輪機(jī)葉片模具。與傳統(tǒng)的模具相比，該團(tuán)隊預(yù)計在該項目中可以節(jié)省高達(dá)50%的成本�，F(xiàn)在看來，他們正在類似的領(lǐng)域中應(yīng)用他們的海事專業(yè)知識，開發(fā)新型的防洪屏障。

△UMaine的研究人員之前已經(jīng)3D打印了一艘破紀(jì)錄的船。圖片來自《太陽報》

UMaine走上中心舞臺

2021年5月13日，Dagher應(yīng)參議院交通財務(wù)委員會的邀請，作為四位專家之一，就美國交通設(shè)施如何免受氣候變化的影響進(jìn)行了演說。特別要提到的是是，Dagher's在此介紹了他的UMaine團(tuán)隊一直在開發(fā)的新材料和技術(shù)，作為整個緬因州和新英格蘭地區(qū)40個項目計劃的一部分。

在交通基礎(chǔ)設(shè)施耐久性中心的統(tǒng)籌下，這個更廣泛的計劃是為了尋找延長現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)壽命的方法，以及設(shè)計新的、更耐用的道路、橋梁和港口。就其本身而言，UMaine展示了四項基于復(fù)合材料的創(chuàng)新，包括 "背包中的橋梁 "和U形支架，以及3D打印防潮堤和隧道擴(kuò)散裝置。

這種擴(kuò)散裝置由生物材料制成，主要是為了減少公路下的橋洞水流溢出時造成的損害，有可能會沖毀附近的公路。美國馬里蘭大學(xué)的團(tuán)隊認(rèn)為憑借著在被腐蝕的橋洞內(nèi)襯安裝上3D打印的擴(kuò)散器，有可能將水流增加40%，從而最大限度地減少對周圍基礎(chǔ)設(shè)施造成的損害。

UMaine團(tuán)隊 "背包中的橋 "的概念

△UMaine團(tuán)隊設(shè)計的 "背包中的橋 "。圖片來自于美國馬里蘭大學(xué)

事實上，該團(tuán)隊預(yù)期增加隧道的排水流量可以為美國政府每年節(jié)省數(shù)百萬美元的橋梁更換費(fèi)用，而這里所需要的擴(kuò)散裝置他們的3D打印設(shè)備可以使用環(huán)保材料按尺寸進(jìn)行制作。為了證明他們的擴(kuò)散裝置的潛力，研究人員打算在2021年夏天之前在緬因州附近安裝一個。

在更大的范圍內(nèi)，緬因州團(tuán)隊還開發(fā)了考慮到防洪的浮動防潮堤，但它們不是為了保護(hù)陸地設(shè)施，而是為了保護(hù)沿海基礎(chǔ)設(shè)施。3D打印的屏障采用模塊化設(shè)計，允許它們在短時間內(nèi)建造和部署，然后再根據(jù)水位進(jìn)行調(diào)整，并保護(hù)港口免受潮汐影響的50%。

在確定了其防潮堤的功能和可擴(kuò)展性之后，研究人員現(xiàn)在的目標(biāo)是將其擴(kuò)展為一個75英尺長的原型，并在緬因州海岸附近測試其受力下的位移幅度。

基于植物的3D打印的進(jìn)展

從某種程度上來講，UMaine大學(xué)可能已經(jīng)成為生物海洋方面的3D打印專家，但其研究人員遠(yuǎn)不是唯一使用纖維素來構(gòu)建可持續(xù)結(jié)構(gòu)的人。例如，目前歐盟資助的NOVUM項目計劃的相關(guān)科學(xué)家們正在研究基于纖維素的3D打印部件，并有可能應(yīng)用于汽車、海洋和電氣絕緣領(lǐng)域。

在其他地方，來自斯圖加特大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)和Koc大學(xué)的研究人員結(jié)合他們的專業(yè)知識，已經(jīng)開發(fā)出可3D打印的纖維素基長絲。通過調(diào)整其材料的機(jī)械和流變特性，他們最終能夠創(chuàng)建具有預(yù)編程變形曲線的樣品。

在類似的研究領(lǐng)域內(nèi)，來自西蒙弗雷澤大學(xué)（SFU）、不列顛哥倫比亞大學(xué)和瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室（EMPA）的一個科學(xué)家團(tuán)隊，已經(jīng)成功地3D打印出木質(zhì)衍生的電子產(chǎn)品。研究人員認(rèn)為，隨著進(jìn)一步的研發(fā)，他們的纖維素材料可以產(chǎn)生可持續(xù)的傳感器，或可以取代標(biāo)準(zhǔn)PCB中的塑料。