混凝土是地球上使用最广泛的建筑材料，其生产是碳排放的主要来源之一。减少其环境足迹的一种有前途的方法是3D打印混凝土，像一个巨型的裱花机器人一样逐层铺设。这种过程消除了传统浇筑模具的繁琐工序，仅在结构需要的地方放置材料。然而，许多计算机生成的最优设计对于当前的打印机来说是无法实现的。工程师使用一种称为拓扑优化的技术，以找到在使用最少材料的情况下最强的结构。但是，这些数学理想的设计，其复杂的蛛网形状，并未考虑到大型混凝土打印机的物理限制，例如厚喷嘴、有限的转动能力以及需要连续打印的要求。
麻省理工学院的研究团队开发了一种方法来弥补这一差距。他们在《增材制造》期刊上描述的框架，直接将打印机的实际制造限制纳入优化中，从而得出的设计是机器能够构建和打印的，几乎无需手动重新设计。他们通过设计、打印和负载测试一座2.3米的混凝土桥来验证这一点，发现当今的打印硬件，而不是混凝土本身，限制了结构的轻量化。
为了明确约束条件，团队参与了Autodesk研究驻留计划，直接与在波士顿Autodesk技术中心操作大型打印机的人合作。通过这些交流，团队确定了三项关键限制：每个打印珠的厚度、喷嘴的转动角度以及需要以单一连续线条打印。
现有的3D打印结构通常采用旧方法，先优化形状，然后需要大量后处理，耗时数天。而该团队的框架在笔记本电脑上大约两分钟内生成可打印设计。当打印当天需要稍微缩小桥梁的尺寸时，他们只需重新运行优化，五到十分钟后即可获得更新设计。
为了验证框架，研究人员返回Autodesk的设施打印了一座2.3米长的混凝土桥。这座桥大约花费30分钟完成，使用了现成的砂浆。测试显示，约900磅的结构承载了超过2000磅的负载，几乎没有可测量的弯曲，结果与团队的模拟非常接近。
研究发现，当前打印技术的限制，而非混凝土的强度，决定了结构的效率。研究者们通过混合整数优化方法，能够精确测量每项硬件限制在材料上的成本。这一方法的最大杠杆是打印珠的宽度，分析显示，能够打印1厘米珠子的机器在保持安全边际的情况下，材料使用量可以减少多达76%。
这项研究为打印机制造商提供了一条改进的路线图，表明适度的硬件改进可以解锁大量效率提升，并减少混凝土的碳足迹。桥梁的每个部分均处于压缩状态，使其在承受重力时表现良好，但在拉伸时则表现不佳。研究团队计划将其进一步转向钢筋混凝土的领域，以应对打印结构中的钢筋问题。该研究得到了国家科学基金会的资助，并得到了麻省理工学院先进生产技术中心的支持。
博主点评： 这项研究展示了3D打印在建筑领域的巨大潜力，尤其是在减少材料浪费和碳排放方面。将实际打印机的限制纳入设计过程，不仅提高了设计的可行性，还为未来的绿色建筑提供了新的思路。随着技术的进步，期待看到更多创新的建筑解决方案。