- 麻省理工學院開發的新框架可有效打印混凝土橋樑。
- 新方法能在短時間內生成可建造設計，提升效率。
- 測試顯示結構設計受打印機限制影響，提供未來建築路線圖。
- 團隊計劃開發鋼筋混凝土以克服現有結構的限制。
麻省理工學院的研究人員開發了一個框架，以解決環保建築中的一個主要障礙：大型三維列印機無法製造高效的、經電腦優化的混凝土結構。該方法已通過列印一座長 2.3 米的混凝土橋樑進行驗證，該橋樑承重超過 2,000 磅。研究顯示，改善列印機硬件（例如縮小列印線寬）是實現大量混凝土節省和減少行業碳足跡的關鍵。麻省理工學院土木工程系的高級作者及吉爾伯特·W·温斯洛（Gilbert W. Winslow）職業發展教授喬瑟芬·卡斯滕森（Josephine Carstensen）表示：「這座橋大約花了 30 分鐘建造，使用的是現成的砂漿。」
新框架提升打印效率
現有的三維列印混凝土方法通常需要數天的手動後處理，才能使電腦的複雜設計可列印。通常，數學上完美的設計對於厚噴嘴的列印機來説過於精細。麻省理工學院土木與環境工程系的博士後研究員哈金·金·塔科維亞克（Hajin Kim-Tackowiak）表示：「在將這些超優化設計轉換為可製造設計時，我們發現了許多裂縫，宛如深淵。」麻省理工學院的研究人員開發了一個數學框架，使用先進的「混合整數優化」技術。
這個軟件將列印機的實際製造限制直接融入設計過程，並能在筆記本電腦上僅用「兩分鐘」生成完全可建造的設計。
該框架嵌入了現實世界的硬件約束，如噴嘴轉角半徑和連續路徑要求。為了確定大型混凝土三維列印機的具體限制，麻省理工學院團隊與位於波士頓的 Autodesk 技術中心的機器操作員合作。這些實地見解揭示了三個製造約束：所需的珠子厚度、噴嘴轉動的鋒利程度，以及需要在一條連續的線上列印的要求。值得注意的是，這些物理規則直接整合進他們的軟件中，取代了舊有且效率不高的方法。當團隊在列印當天需要稍微減小橋樑的尺寸時，他們只需重新運行優化，便在 5 至 10 分鐘內得到了更新設計。
結構設計受限於打印機
共同第一作者及土木與環境工程系的博士生賽恩·施密爾（Zane Schemmer）表示：「五年、十年前，我們使用的求解器，甚至三年前，都無法解決這些問題。這一領域一直受到忽視，因為每個人都認為這不是我們可以探索的方向。但隨著新算法和資源的出現，我們開始能夠構建問題框架。」為了驗證他們的框架，研究人員成功列印並測試了一座 900 磅的混凝土橋樑，該橋樑承受了超過 2,000 磅的重量，幾乎沒有彎曲，並與他們的模擬結果完全一致。
然而，測試驚人地顯示出結構過度設計。在一定負載下，結構的形狀並非由混凝土決定，而是由列印機的物理限制所制約。這一發現為未來的建築技術提供了清晰的路線圖。
特別是，該框架計算數學上理想的設計。因此，它可以用來精確測量由於這些硬件限制而損失的材料效率。團隊發現，將列印的珠子寬度從 4 釐米減少到 1 釐米，可以將材料使用量減少多達 76%。由於結構依賴於混凝土對壓縮力的高抗性，因此不需要浪費模具，這使其非常適合快速建造災後救援基礎設施。然而，該結構仍然容易受到拉伸力的影響，正如測試橋樑在從一個角落提升後斷裂所示。為瞭解決這一限制，團隊的下一階段專注於開發鋼筋混凝土，儘管將鋼筋整合進三維列印過程中仍存在其自身獨特的技術挑戰。
新框架對建築行業的潛在影響
麻省理工學院的研究人員開發的框架不僅提升了混凝土橋樑的打印效率，還顯示出如何將實際製造限制融入設計過程中。這一創新可能改變未來建築技術的發展方向，尤其是在災後救援基礎設施的快速建造上。通過減少材料浪費和提高結構強度，這項技術有潛力降低建築行業的碳足跡，推動可持續發展。然而，結構的脆弱性仍需解決，未來的研究將集中於如何有效整合鋼筋以增強結構的穩定性。