密歇根大學的研究人員在3D混凝土打印方面取得了變革性的突破，為建筑行業(yè)帶來了更可持續(xù)和更具成本效益的未來。建筑師Mania Aghaei Meibodi和密歇根大學陶布曼建筑與城市規(guī)劃學院DART實驗室的研究人員Alireza Bayramvand和Yuxin Lin開發(fā)了一種開創(chuàng)性的方法，用于創(chuàng)建超輕、無廢物的混凝土。與相同尺寸的傳統(tǒng)實心混凝土相比，這項創(chuàng)新技術減輕了72%的重量。
一種結合拓撲優(yōu)化和機器人技術的新方法
傳統(tǒng)的3D混凝土打印方法（3DCP）旨在實現(xiàn)建筑數(shù)字化并減少混凝土消耗。然而，這些方法具有幾何限制，將其應用限制在正交墻等更簡單的形狀上。研究人員的新方法“殼墻”展示了一種計算設計和機器人3D打印技術，該技術有效地將拓撲優(yōu)化與3D混凝土打印相結合。
拓撲優(yōu)化是一種根據(jù)性能標準（如強度或重量）為給定的支撐集生成最有效的材料分布的技術。通過創(chuàng)建一個計算模型，根據(jù)拓撲優(yōu)化零件的形狀和幾何特征協(xié)同非平面和可變材料沉積，該團隊開發(fā)了一種方法，通過將材料精確放置在結構目的所需的位置來有效利用材料。
該模型的高級功能之一是能夠再生形式以緊密匹配初始優(yōu)化，同時考慮到任何制造和材料限制，該模型能夠自動生成 3D 打印、非平面刀具路徑和可變材料擠出速率的數(shù)據(jù)。
這是有史以來第一個3D打印的輕質，結構加固的自由形式混凝土墻。這種創(chuàng)新的殼體墻系統(tǒng)基于優(yōu)化的幾何形狀，以支持其荷載工況，材料分布在直徑從65到150毫米的彎曲肋條的分層網(wǎng)格中。
這些肋骨之間的非承重區(qū)域只有6.5至8厘米深，可以在兩個只有2.5毫米厚的混凝土外殼之間夾住絕緣材料。
超輕質自由形態(tài)殼墻
與同等尺寸的傳統(tǒng)實心混凝土墻相比，新型3D混凝土的重量僅為160公斤，重量減輕了72%。通過這種創(chuàng)新的3D打印方法，該墻允許“無浪費的混凝土結構和有效利用材料，將其精確放置在結構目的所需的位置。
研究團隊表示，“新的3D打印方法還通過使用常用混凝土而不是依賴高度專業(yè)化的混合物來促進3D混凝土打印的實際實施，而且使用的混凝土和鋼筋數(shù)量明顯少于相同尺寸墻通常需要的大量混凝土和鋼筋。此外，DART實驗室還為殼墻開發(fā)了一種輕巧且價格合理的3D混凝土打印系統(tǒng)，以提高可訪問性。
同樣，去年麻省理工學院開發(fā)了一種3D打印材料的方法，以檢測它們?nèi)绾我苿硬⑴c環(huán)境相互作用，麻省理工學院的另一個研究小組創(chuàng)造了一種新的復合材料，這種材料像骨頭一樣堅韌，像鋁一樣堅硬。
此外，麻省理工學院的化學工程師通過使用一種新穎的聚合工藝創(chuàng)造了一種“比鋼更堅固，像塑料一樣輕”的新材料。
向可持續(xù)建筑更近一步
這種新方法“消除了不必要的過度建筑和過量的材料”，能夠以更低的成本建造更好、更環(huán)保的結構。隨著機器人、人工智能和建筑自動化的不斷發(fā)展，3D打印因其能夠以更少的浪費快速創(chuàng)建復雜的形狀和結構而在建筑行業(yè)中越來越受歡迎。
這一突破符合環(huán)保建筑材料的增長趨勢以及3D打印在各個行業(yè)中的使用越來越多。隨著快速城市化和對基礎設施建設需求的增加，這一發(fā)展有助于建筑行業(yè)和一般3DCP實踐的重大變化。
