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，為建筑行業帶來了更可持續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劃學院DART實驗室的研究人員Alireza Bayramvand和Yuxin Lin開發了一種開創性的方法，用于創建超輕、無廢物的混凝土。與相同尺寸的傳統實心混凝土相比，這項創新技術減輕了72%的重量。
一種結合拓撲優化和機器人技術的新方法
傳統的3D混凝土打印方法（3DCP）旨在實現建筑數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化與3D混凝土打印相結合。
拓撲優化是一種根據性能標準（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。通過創建一個計算模型，根據拓撲優化零件的形狀和幾何特征協同非平面和可變材料沉積，該團隊開發了一種方法，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據。
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。這種創新的殼體墻系統基于優化的幾何形狀，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格中。
這些肋骨之間的非承重區域只有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。
超輕質自由形態殼墻
與同等尺寸的傳統實心混凝土墻相比，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了一種輕巧且價格合理的3D混凝土打印系統，以提高可訪問性。
同樣，去年麻省理工學院開發了一種3D打印材料的方法，以檢測它們如何移動并與環境相互作用，麻省理工學院的另一個研究小組創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造了一種“比鋼更堅固，像塑料一樣輕”的新材料。
向可持續建筑更近一步
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、更環保的結構。隨著機器人、人工智能和建筑自動化的不斷發展，3D打印因其能夠以更少的浪費快速創建復雜的形狀和結構而在建筑行業中越來越受歡迎。
這一突破符合環保建筑材料的增長趨勢以及3D打印在各個行業中的使用越來越多。隨著快速城市化和對基礎設施建設需求的增加，這一發展有助于建筑行業和一般3DCP實踐的重大變化。
