Istraživači sa Masačusetskog instituta za tehnologiju (MIT) razvili su matematički okvir koji omogućava da se računarski optimizovane betonske konstrukcije prilagode stvarnim mogućnostima velikih 3D štampača. Rešenje je provereno izradom mosta dugog 2,3 metra, koji je tokom ispitivanja podneo opterećenje veće od 900 kilograma.
Testiranje 3D štampanog mosta (Foto: MIT)
Ovakav pristup mogao bi da otkloni jednu od glavnih prepreka široj primeni 3D štampe u održivoj gradnji. Dosadašnji sistemi često nisu mogli da izvedu geometrijski složene, materijalno efikasne oblike dobijene računarskom optimizacijom, prvenstveno zbog fizičkih ograničenja mlaznica i načina nanošenja betona.
Rezultati istraživanja ukazuju na to da unapređenje samog hardvera, a naročito smanjenje širine štampane trake materijala, ima najveći potencijal za smanjenje potrošnje betona i ugljeničnog otiska građevinske industrije.
Oglas
Josephine Carstensen, vodeći autor istraživanja i profesor građevinarstva na MIT-u, navela je da je most od standardnog, komercijalno dostupnog maltera odštampan za približno 30 minuta.
Od računarskog modela do izvodljivog rešenja za nekoliko minuta
Postojeći postupci 3D štampanja betona neretko zahtevaju višednevnu ručnu doradu modela kako bi se optimalno računarsko rešenje prilagodilo mogućnostima mašine. Matematički najefikasnije konstrukcije obično su suviše složene da bi ih štampači sa širokim mlaznicama mogli precizno izvesti.
Hajin Kim-Tackowiak, postdoktorski istraživač na Odeljenju za građevinarstvo i inženjerstvo životne sredine MIT-a, objasnila je da su se pri pretvaranju izrazito optimizovanih modela u konstrukcije koje je moguće proizvesti pojavljivale brojne, veoma velike pukotine kroz koje se može propasti.
Kako bi prevazišao ovo, tim je napravio okvir zasnovan na naprednoj mešovito-celobrojnoj optimizaciji. Softver već tokom projektovanja uzima u obzir praktična ograničenja opreme, među kojima su poluprečnik okretanja mlaznice i zahtev da se materijal nanosi neprekinutom putanjom.
Na taj način se potpuno izvodljiv model može dobiti na prenosnom računaru za svega dva minuta.
Istraživači su precizne podatke o mogućnostima velikih 3D štampača prikupili u saradnji sa operaterima mašina u kompaniji Autodesk Technology Center u Bostonu.
Praktična ispitivanja pokazala su da proizvodni proces najviše ograničavaju potrebna debljina trake istisnutog materijala, oštrina zaokreta koju mlaznica može da napravi i neophodnost štampanja u jednoj kontinuiranoj liniji.
Umesto da se dobijeni model naknadno i neefikasno prilagođava, sva tri uslova ugrađena su direktno u softver. Prednost ovakvog pristupa pokazala se i na dan izrade mosta, kada je bilo potrebno neznatno smanjiti njegove dimenzije. Optimizacija je ponovljena, a izmenjeni model bio je spreman za 5 do 10 minuta.
Zane Schemmer, jedan od vodećih autora i doktorand na Odeljenju za građevinarstvo i inženjerstvo životne sredine, ukazao je da softverski alati od pre pet, pa čak i pre tri godine, nisu mogli da rešavaju ovakve probleme. Napredak algoritama i dostupnih računarskih resursa sada omogućava da se razmatraju postupci koji su ranije smatrani teško primenljivim.
Uža štampana traka donosi najveću uštedu
Za proveru razvijenog okvira, istraživači su odštampali betonski most mase oko 400kg. Konstrukcija je podnela više od 900kg opterećenja uz gotovo neprimetno ugibanje, a njeno ponašanje odgovaralo je rezultatima računarskih simulacija.
Ispitivanje je, međutim, pokazalo da je most znatno predimenzionisan. Do određenog nivoa opterećenja njegov oblik nije bio uslovljen karakteristikama betona, već fizičkim mogućnostima štampača. To saznanje istraživačima pruža jasne smernice za dalji razvoj tehnologije.
Pošto okvir istovremeno izračunava matematički idealno rešenje, pomoću njega je moguće precizno utvrditi koliko se materijalne efikasnosti gubi zbog ograničenja opreme. Tim je tako ustanovio da bi smanjenje širine štampane trake sa 4 na 1 centimetar moglo da umanji utrošak materijala za čak 76 odsto.
Konstrukcija koristi visoku otpornost betona na pritisak, a za njenu izradu nisu potrebne oplate, što dodatno smanjuje količinu materijala i otpada. Zbog brzine izvođenja, ova tehnologija mogla bi da bude naročito korisna za izgradnju infrastrukture u područjima pogođenim katastrofama.
Ipak, problem predstavlja slabija otpornost betona na zatezanje. To se pokazalo kada je probni most pukao nakon podizanja za jedan ugao. Sledeća faza istraživanja zato će biti usmerena na razvoj armiranih konstrukcija, mada ugradnja armature u proces 3D štampanja donosi nove tehničke izazove.
