3D-друк бетону: MIT навчив комп'ютери створювати реалістичні та міцні конструкції

Бетон — найпопулярніший будівельний матеріал на Землі, і його виробництво є одним із найбільших джерел викидів вуглецю.

Один із перспективних способів зменшити цей екологічний слід — 3D-друк бетоном, коли матеріал укладається шар за шаром, ніби кондитерський крем із мішка. Це позбавляє потреби створювати трудомістку опалубку (форми для заливки) і дозволяє наносити матеріал лише туди, де він дійсно потрібен.

Джерело: techxplore.com

Проте більшість ідеальних моделей, які створює комп’ютер, сучасні 3D-принтери надрукувати не здатні. Інженери використовують метод топологічної оптимізації, щоб знайти найміцнішу форму з найменшою кількістю матеріалу. Але ці математично ідеальні «павутинки» не враховують реальних обмежень великих будівельних принтерів — товстих сопел, обмеженого радіуса повороту та потреби друкувати єдиною безперервною лінією.

Команда дослідників із Массачусетського технологічного інституту (MIT) у своїй праці в журналі Additive Manufacturing запропонувала рішення. Їхня система одразу закладає технічні обмеження принтера в процес математичного розрахунку. На виході виходить проєкт, який машина може надрукувати одразу, практично без ручного доопрацювання.

Щоб довести це, вчені спроєктували, надрукували та протестували під навантаженням 2,3-метровий бетонний міст. Головний висновок: легкість і мінімалізм конструкцій сьогодні обмежує саме застаріле залізо принтерів, а не властивості самого бетону.

«Під час спроб перенести ідеальні математичні моделі у реальне виробництво ми постійно провалювалися в прірву між теорією та практикою», — зазначає співавторка дослідження, постдок кафедри цивільної та екологічної інженерії MIT Хаджін Кім-Таков'як.

Проєктування під реальні можливості обладнання

Щоб чітко визначити межі можливого, команда працювала з операторами великих будівельних принтерів у бостонському центрі Autodesk.

«Вони показували на наші гострі кути на кресленнях і казали: "Я просто не ризикну таке друкувати"», — пригадує Кім-Таков'як.

Спільна робота виявила три головні проблеми:

• Товщина лінії, яку видавлює сопло.
• Мінімальний радіус повороту друкарської голівки.
• Необхідність друкувати весь об'єкт єдиною безперервною лінією.
• Усі ці фізичні обмеження науковці перевели в математичні формули.

Існуючі методи 3D-друку бетоном зазвичай спочатку розраховують форму, а потім вимагають тривалої переробки креслень, що займає дні. Алгоритм MIT генерує повністю готовий до друку проєкт приблизно за дві хвилини на звичайному ноутбуці. Коли в день друку знадобилося трохи зменшити розмір мосту, новий розрахунок зробили всього за 5–10 хвилин.

«Ще 3–5 років тому математичні совери просто не здатки були розв'язати такі рівняння. Усі уникали цього напряму, вважаючи його безперспективним. Але з новими алгоритмами це стало реальністю», — пояснює аспірант Зейн Шеммер.

Міст виявив справжнє вузьке місце

Для перевірки теорії науковці надрукували міст на базі Autodesk.

• Час друку: близько 30 хвилин.
• Матеріал: звичайний будівельний розчин із магазину.
• Вага мосту: близько 410 кг.

Результат випробувань: міст витримав понад 910 кг навантаження (бетонні блоки зверху) без прогинів, повністю підтвердивши розрахунки.

Проте випробування виявили несподіваний факт: міст виявився занадто міцним.

«Обмеження принтера "чи можу я це надрукувати" диктують форму конструкції набагато сильніше, ніж сама фізика матеріалу. Тільки якщо збільшити навантаження до 90 тонн, на перший план вийде міцність бетону. Тобто саме недосконалість принтерів не дає нам робити конструкції ще легшими», — зазначає Кім-Таков'як.>

Карта розвитку для виробників принтерів

Завдяки тому, що алгоритм знаходить абсолютний математичний максимум (глобальний оптимум), учені змогли проаналізувати, як кожне обмеження принтера впливає на перевитрату матеріалу.

Головним важелем виявилася товщина лінії бетону. Для мосту використовували сопло, що давало лінію товщиною 4 см. Аналіз показав: якби принтер міг наносити тонку лінію в 1 см, витрату матеріалу вдалося б скоротити на 76% без втрати міцності.

Крім того, міст розробили так, щоб увесь бетон працював виключно на стиск — адже бетон добре витримує тиск, але легко ламається при розтягуванні. У цій конструкції жодна частина не працювала на розрив.

Це продемонстрував кумедний випадок після тестів: міст легко витримав майже тонну ваги зверху, але коли робітник підняв один його кут на кілька сантиметрів, щоб підмести підлогу, міст розламався. Підйом створив зусилля на розтягнення, на яке конструкція не була розрахована.

Наступний крок — залізобетон

Можливість будувати без опалубки критично важлива для швидкого зведення інфраструктури в зонах лиха. Проте чистий бетон має свої межі.

«Ми розуміємо, що суто бетонні конструкції не завжди ідеальні, тому зараз ми рухаємося в бік реального світу — до залізобетону. Щоправда, вигадати, як автоматично подавати арматуру в процес 3D-друку бетоном — це ще той виклик», — підсумовує Кім-Таков'як.