Optimization of Internal Patterns in 3D-Printed Walls to Control Heat Transfer and Embodied Impact

Yıl 2026, Cilt: 9 Sayı: 1, 1 - 2

Anıl Kul

https://doi.org/10.34248/bsengineering.1792446

Öz

Bu çalışma, yapı uygulamalarında ısıl yalıtımı iyileştirmek üzere tasarlanmış, 3B yazdırılabilir, atık esaslı alkali-aktive bir harcın geliştirilmesini ve değerlendirilmesini sunmaktadır. Tuğla yıkım atığı, sıradan Portland çimentosuna ve kıtlaşan endüstriyel yan ürünlere bağlı sürdürülebilirlik sorunlarını azaltmak amacıyla hem bağlayıcı hem de agrega olarak kullanılmıştır. Toplam katıların ağırlıkça %50–80’i aralığında artan tuğla atığı içeriğine sahip bir dizi karışım üretilmiş; taze özellikler, mekanik dayanım ve ısıl iletkenlik açısından test edilmiştir. En uygun karışım (BA0.7), düşük ısıl iletkenlikle birlikte ekstrüde edilebilirlik, basılabilirlik (buildability) ve dayanım arasında denge sağlamış ve 3B baskı deneylerinde başarıyla kullanılmıştır.

Ölçülen malzeme özellikleri kullanılarak, iç boşluk konfigürasyonları farklılık gösteren beş duvar geometrisi üzerinde sayısal simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Sonlu eleman ısı transferi analizi, literatür verilerine karşı doğrulanmış ve ısıl geçirgenlik (U-değeri) bakımından yakın uyum göstermiştir. Bulgular, duvarın boşluk oranının artırılmasının U-değerlerini belirgin biçimde düşürdüğünü (daha iyi yalıtım) gösterirken, duvar katmanları arasındaki yük aktarım “temas noktalarının” geometrisi ve dağılımının ısı akısını güçlü şekilde etkilediğini ortaya koymuştur. En iyi performans sergileyen 3B yazdırılmış duvar tasarımı yaklaşık 4,1 W/(m²·K) U-değerine ulaşmış; aynı kalınlıktaki dolu duvara kıyasla %75 düşüş sağlamıştır. Kapıdan-kapıya yaşam döngüsü değerlendirmesi (LCA), iç desen optimizasyonunun ardından 3B yazdırılmış duvarda, dolu temel senaryoya göre yaklaşık %70–80 oranında gömülü çevresel etki azalması sağlandığını göstermiştir.

Bu bulgular, geri kazanılmış atık esaslı geopolimer malzemelerin optimize edilmiş 3B duvar desenleri ile birleştirilmesinin, hafif ve ısıl açıdan verimli bina kabukları üretme potansiyelini vurgulamaktadır. Önerilen yeni malzeme ve duvar konfigürasyonları, binaların enerji tüketimini ve karbon ayak izini azaltabilir; sürdürülebilir inşaata geçişi destekler. Gelecek çalışmaların, dayanıklılık (durability), çok işlevli optimizasyon (ör. akustik ve yapısal performans) ve pasif yalıtım stratejilerinin entegrasyonu gibi başlıkları da ele alması uygun olacaktır.

Anahtar Kelimeler

Eklemeli İmalat , Robotik 3D Beton Yazdırma , Termal Performans , Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi , Atık Yönetimi

Optimization of Internal Patterns in 3D-Printed Walls to Control Heat Transfer and Embodied Impact

Öz

This study develops and evaluates a 3D-printable, waste-based alkali-activated mortar designed for improved thermal insulation in building applications. Brick masonry waste is utilized as both binder and aggregate to address sustainability challenges associated with ordinary Portland cement and scarce industrial by-products. A series of mix formulations with increasing recycled brick waste content (50–80% of total solids by weight) were produced and tested for fresh properties, mechanical strength, and thermal conductivity. The optimal mix (BA0.7) balanced extrudability, buildability, and strength with a low thermal conductivity, and was successfully used in 3D printing experiments. Numerical simulations were then conducted on five wall geometries with varying internal void configurations using the measured material properties. The finite element thermal analysis was first validated against literature data, showing close agreement in thermal transmittance (U-value). Results demonstrate that increasing the wall’s void ratio significantly reduces U-values, indicating better insulation, yet the geometry and distribution of load-transfer “contact points” between wall layers strongly influence heat flow. The best-performing 3D-printed wall design achieved a U-value of ~4.1 W/m²K, a 75% reduction compared to a solid wall of the same thickness. A cradle-to-gate life-cycle assessment (LCA) revealed that, after optimization of the internal pattern, the 3D-printed wall achieved an approximately 70–80% reduction in embodied impacts relative to the solid baseline. These findings highlight the potential of combining recycled-waste geopolymer materials with optimized 3D-printed wall designs to create lightweight, thermally efficient building envelopes. The novel material and wall configurations proposed can reduce building energy consumption and carbon footprint, supporting a transition toward sustainable construction. Future research should explore durability, multi-functional optimization (e.g. acoustic and structural performance), and the integration of passive insulation strategies to further enhance these 3D-printed systems.

Anahtar Kelimeler

Additive Manufacturing , Robotic 3D Concrete Printing , Thermal Performance , Life-cycle Assessment , Waste Management

Kaynakça

• Aldemir, A., Akduman, S., Kocaer, O., Aktepe, R., Sahmaran, M., Yildirim, G., … Ashour, A. (2022). Shear behaviour of reinforced construction and demolition waste-based geopolymer concrete beams. Journal of Building Engineering, 47, 103861. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103861
• Akduman, Ş., Kocaer, O., Aldemir, A., Şahmaran, M., Yıldırım, G., Almahmood, H., & Ashour, A. (2021). Experimental investigations on the structural behaviour of reinforced geopolymer beams produced from recycled construction materials. Journal of Building Engineering, 41, 102776. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102776