Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) представили новый метод цифрового производства, позволяющий печатать крупногабаритные строительные элементы из бетона с оптимизированной внутренней структурой. В рамках демонстрации возможностей технологии инженеры напечатали сегментированный арочный мост длиной 2,3 метра, который успешно выдержал нагрузку в 900 килограммов, что многократно превышает его собственный вес.

Источник: MIT

В настоящее время производство бетона является одним из крупнейших промышленных источников выбросов углекислого газа. Использование 3D-печати в строительстве позволит сократить расход сырья благодаря точной укладке материала и отказу от традиционной заливной опалубки. До настоящего времени применение алгоритмов топологической оптимизации — метода, вычисляющего наиболее прочную структуру при минимальном объеме материала — сталкивалось с техническими барьерами. Оптимальные с математической точки зрения сетчатые конструкции были несовместимы с физическими параметрами промышленных принтеров. Оборудование требует непрерывной подачи смеси и строго ограничено толщиной экструдируемого шва, а также минимальным радиусом поворота сопла.

Команда инженеров кафедры гражданского и экологического строительства MIT разработала вычислительную платформу, которая решает данную проблему путем прямого включения производственных ограничений принтера в математический алгоритм. Результаты исследования представлены в рецензируемом научном журнале Additive Manufacturing. Программа генерирует полностью готовые к печати модели за две минуты на стандартном портативном компьютере. В случае необходимости масштабирования модели перерасчет параметров занимает от пяти до десяти минут.

Для практической проверки предложенного подхода исследователи при поддержке технологического центра Autodesk в Бостоне изготовили бетонный мост длиной 2,3 метра. Процесс непрерывной экструзии стандартного строительного раствора занял около 30 минут. В ходе последующих статических испытаний конструкция, собственная масса которой составила порядка 408 кг, выдержала нагрузку в виде бетонных блоков весом более 900 кг. Приборы не зафиксировали измеримых деформаций или прогибов, что подтвердило точность предварительных цифровых симуляций.

Ключевым выводом исследования, по словам соавторов проекта Хаджин Ким-Таковяк и Зейна Шеммера, стало подтверждение факта, что пределы эффективности структурно оптимизированных форм диктуются характеристиками печатного оборудования, а не физическим пределом прочности бетона. Анализ показал, что уменьшение ширины печатного шва с текущих 4 см до 1 см потенциально снизит объем используемого материала на 76%. Разработанный алгоритм предоставляет производителям строительных 3D-принтеров технические данные для модернизации аппаратной части с целью дальнейшего снижения углеродного следа в строительной отрасли.