《Architecture》：Parametric Module Using Recycled Fab Lab Materials Through Digital Technologies: A COIL Strategy Toward the Circular Economy
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摘要：Fab Lab是一个协作环境，提供共享的材料资源、制造工艺、工具和知识，用于实验和原型开发。本研究将先前开发的参数化模块与基于UTPL Fab Lab中产生的回收纸板废料的探索性材料回收工作流程相连接。参数化模块的几何形状先前已开发，并使用传统板材进行了
摘要：Fab Lab是一个协作环境，提供共享的材料资源、制造工艺、工具和知识，用于实验和原型开发。本研究将先前开发的参数化模块与基于UTPL Fab Lab中产生的回收纸板废料的探索性材料回收工作流程相连接。参数化模块的几何形状先前已开发，并使用传统板材进行了物理制造。在本研究中，制备了小型回收纸板纤维素纤维复合材料试件，通过改变纸浆制备、水分含量、胶粘剂用量、压制条件、成型方法和干燥程序。通过脱模和搬运过程中的粘聚性、近似厚度控制、可见开裂、尺寸稳定性、表面状况、边缘完整性和易处理性的初步定性观察对试件进行了评估。结果确定了未来研究的候选配方，包括参考压制成型配置和一种有前景的低资源配方。一个缩小比例的手工组装原型提供了初步证据，表明所提出的几何形状可以使用回收纸板材料来呈现。然而，该研究并未验证全尺寸制造、CNC铣削、激光切割、结构性能或回收纸板面板的长期功能使用。该研究贡献了一个初步工作流程，将Fab Lab废料回收、材料实验、参数化设计和面向循环经济的原型开发联系起来。
一、研究背景与问题
在全球技术转型与环境挑战日益严峻的背景下，参数化设计与循环经济原则已成为推动建筑与设计领域可持续发展的重要途径。参数化设计通过算法生成和修改复杂几何形状，支持多变量迭代调整；循环经济则致力于减少原生资源消耗，通过再利用、回收和再生将材料保留在生产循环中。在大学环境中，数字制造实验室（如UTPL Fab Lab）在设计与制造活动中会产生大量材料边角料和废弃原型，这些残余材料在被视为废弃物之前，为局部回收和材料实验提供了机会。
回收纸张和纸板是木质纤维素资源，可通过再水化、分解转化为新的纸制品、复合材料、保温产品或实验面板。然而，回收纤维素纤维材料的性能取决于纤维质量、污染物、纸浆加工、含水量、胶粘剂用量、压实、干燥条件、密度和湿度暴露等因素。先前关于纸板基组件的研究进一步表明，纸张和纸板对湿气敏感，其物理和机械行为因纤维取向、几何形状、材料配置和制造程序而异。因此，小规模材料观察不能直接外推到全尺寸结构组件、CNC加工面板或模块化组装，而无需进一步的物理、机械和制造测试。
本研究基于Brito Vivanco和Campoverde Armijos先前的本科论文工作，该工作开发了一个交互式参数化亭阁和一个互锁模块化系统。在先前工作中，模块几何通过参数化算法生成，并使用防潮中密度纤维板（MDF RH）在全尺寸下物理制造，制造流程包括加工路径定义、二维轮廓加工和通过NC Studio进行CNC加工。该先前工作验证了模块的几何逻辑、互锁接头配置和基本组装程序。模块基于35厘米方形几何，具有12个均匀分布的十字半接槽，槽具有相等的标称长度以实现可互换连接，模块角部被倒圆以减少尖锐边缘。
本研究解决的是一个后续且互补的阶段：从UTPL Fab Lab产生的回收纸板废料中初步开发纤维素纤维复合材料试件。材料实验以小型规模进行，遵循迭代原型制作方法，在将大量材料、能源和设备投入全尺寸生产之前评估替代配方。研究问题为：哪些加工条件能够使回收纸板纤维素纤维试件具有足够的初步粘聚性、厚度控制和尺寸稳定性，从而可考虑使用先前开发的参数化模块几何进行未来的全尺寸制造和组装测试？
二、研究内容与意义
研究人员开展了一项探索性材料回收工作流程研究，将回收纸板废料转化为小型纤维素纤维复合试件，并初步组装了一个缩小比例的参数化模块原型。研究通过改变纸浆制备、水分含量、胶粘剂用量、压制条件、成型方法和干燥程序，制备了八种不同配方的试件，并通过定性观察评估其粘聚性、厚度控制、开裂情况、尺寸稳定性、表面状况和边缘完整性。
研究得出以下主要结论：在压制成型条件下，试件5显示出最佳的初步粘聚性和厚度控制组合，被保留为参考压制成型配置；试件8被确定为最有前景的低资源配方，因为它无需液压压机或热干燥即可获得足够的初步粘聚性和近似厚度控制。缩小比例的手工组装原型提供了初步证据，表明所提出的参数化几何可以使用开发的材料来呈现和组装。
研究的重要意义在于：贡献了一个将Fab Lab纸板废料回收、材料实验、参数化设计和面向循环经济的原型开发联系起来的初步工作流程；为选择候选材料配方提供了初步证据；为未来评估物理和机械性能、湿气响应、热和火行为、CNC或激光切割响应、接头公差和全尺寸模块化组装建立了基础。研究明确不声称回收纸板面板已全尺寸制造或通过CNC加工、激光切割、结构测试、重复组装或长期功能使用得到验证。
三、主要关键技术方法
研究人员在UTPL Fab Lab中收集并分类了三种类型的纸板废料：泡沫板、压制纸板和瓦楞纸板。关键技术方法包括：纸板粉碎与再水化制浆，通过机械混合将回收纸板分解为均匀纤维悬浮液；纸浆筛选与水分含量测定，使用公式%H = (Ph ? Ps)/Ps × 100计算湿干质量差；试件成型与压制，在木框配合网筛的模具中浇注湿纸浆，使用Soiltest CN-470液压压机施加500 psi（3.45 MPa）至2000 psi（13.79 MPa）的压力控制压实和排水；胶粘剂掺入，使用Bioplast Cola Blanca（Pegamento Biológico）以约4–5%干纸浆质量的比例掺入；干燥固化，在恒温通风条件下干燥至少48小时至质量恒定；定性评估，通过脱模和搬运过程中的粘聚性、近似厚度控制、可见开裂、尺寸稳定性、表面状况和边缘完整性进行观察比较。使用的设备包括A&D FX-5000i精密天平、标准实验室砂浆搅拌机和ETIPROETI BM-22实验室搅拌机。
四、研究结果
4.1 参数化模块设计与数字制造
研究人员使用Rhinoceros 8和Grasshopper开发了参数化模块算法，通过单一算法实现模块尺寸、槽配置、连接数量和角部几何的修改。模块为35厘米方形，具有12个等长槽，槽长8厘米，槽宽1.2厘米，以容纳由两片0.55厘米材料组成的制造材料，0.1厘米（1毫米）的差值便于组装。槽位于0、30、60和90度角度位置。数字制造流程包括CAD建模、CAE分析、CAM仿真和计算机控制工具原型制作。先前工作已验证该几何使用MDF RH和CNC加工的可行性。
4.2 纤维素生产与试件制备
研究人员将回收纸板经过回收、分解、纸浆混合和干燥切割四个阶段转化为纤维素基材料。共制备了八种试件，变化湿纸浆质量、目标厚度、压制压力、胶粘剂用量和干燥方法。试件1在2000 psi无胶粘剂条件下缺乏粘聚性而解体；试件2在1500 psi无胶粘剂条件下保持坚固粘聚；试件3在500 psi无胶粘剂条件下压实不足；试件4在500 psi无胶粘剂条件下显示更均匀的初步压实；试件5在1000 psi加5%胶粘剂条件下显示最佳粘聚性和厚度控制；试件6在500 psi加4%胶粘剂条件下显示良好粘聚性；试件7在无胶粘剂较大格式下依赖模具支撑；试件8在无压机无热干燥加4%胶粘剂条件下显示足够粘聚性和厚度控制。
4.3 缩小比例原型组装
研究人员使用回收纸板纤维素纤维材料手工组装了缩小比例的参数化模块原型，提供了几何呈现和手动组装可行性的初步证据。该原型展示了替代互锁配置的数字表示和物理模型，但不验证全尺寸制造、CNC铣削、激光切割、结构性能或长期材料行为。
五、讨论与结论
讨论部分指出，探索性实验活动表明纸浆制备、湿质量、胶粘剂用量、压制条件、成型方法和干燥程序的变化与脱模和搬运过程中的不同初步响应相关。由于实验涉及有限数量的试件且主要依赖定性观察，各变量的个体效应无法隔离或统计评估。胶粘剂掺入可能有助于初步粘聚性，压实条件可能影响厚度控制和搬运行为，但这些观察不应被解释为密度、机械强度、湿气阻力、热性能、耐久性或可加工性的量化证据。研究明确区分了参数化几何验证和回收材料验证：互锁参数化模块已在2018年本科论文中使用MDF RH和CNC加工进行了物理制造验证，而本研究的缩小比例原型不演示全尺寸制造、CNC铣削、激光切割、结构性能、重复组装或长期功能使用。
研究结论翻译如下：本研究探索了从大学Fab Lab产生的回收纸板废料中生产纤维素纤维复合试件的初步可行性。实验观察表明，纸浆制备、湿质量、胶粘剂用量、压制条件、成型方法和干燥方法的变化与脱模和搬运过程中的不同粘聚性水平、近似厚度控制和可见尺寸稳定性相关。结果确定了候选配方以供进一步研究，但不提供机械、热、湿气相关、加工、结构或环境性能的标准化证据。在评估的压制成型条件中，试件5显示出最佳的初步粘聚性和近似厚度控制组合，因此被保留为参考压制成型配置。试件8被确定为有前景的低资源配方，因为它无需液压压制或热干燥即可获得足够的初步粘聚性和近似厚度控制。这些发现仅基于定性观察和制造工艺要求，不证明优越的材料性能或量化的环境效益。一个缩小比例的手工组装原型提供了初步证据，表明所提出的参数化几何可以使用开发的材料来呈现和组装。然而，该结果不验证全尺寸面板的性能、CNC铣削、激光切割、互锁接头公差、结构能力、重复组装或长期耐久性。研究将探索性材料回收工作流程与先前开发的参数化模块几何联系起来，代表了后续的材料开发阶段。研究的主要贡献是记录了一个初步工作流程，用于回收Fab Lab纸板废料并将其转化为小型纤维素纤维复合试件和缩小比例模块化原型。需要进一步研究通过重复的物理和机械测试、湿气和耐久性评估、热和火评估、全尺寸面板制造、CNC或激光切割试验、接头测试、模块化组装和生命周期评估来表征所选配方。
