マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、環境に優しい建築における主要な障害を解決するためのフレームワークを開発しました。それは、大型の3Dプリンターが効率的でコンピューター最適化されたコンクリート構造を製造できないという問題です。この方法は、長さ2.3メートルのコンクリート橋を印刷することで検証され、その橋は2,000ポンド以上の重さに耐えました。研究によると、印刷機のハードウェアを改善すること（例えば、印刷ラインの幅を縮小すること）が、大量のコンクリートの節約と業界のカーボンフットプリントの削減において重要であることが示されています。マサチューセッツ工科大学土木工学科の上級著者であるギルバート・W・ウィンスロー職業開発教授のジョセフィン・カーステンセンは、「この橋は約30分で建設され、既製のモルタルを使用しました。」と述べています。
マサチューセッツ工科大学が開発したフレームワークはコンクリート印刷の効率を大幅に向上させる
現在の3Dプリントコンクリートの方法は、コンピュータの複雑な設計を印刷可能にするために数日間の手動後処理を必要とすることが一般的です。通常、数学的に完璧な設計は、厚いノズルの印刷機には過度に精緻です。マサチューセッツ工科大学土木および環境工学科のポスドク研究員ハジン・キム・タコウィアクは、「これらの超最適化設計を製造可能な設計に変換する際に、多くの亀裂を発見しました。それはまるで深淵のようでした。」と述べています。マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、先進的な「混合整数最適化」技術を使用して数学的なフレームワークを開発しました。
このソフトウェアは、印刷機の実際の製造制約を設計プロセスに直接組み込み、ノートパソコン上でわずか「2分」で完全に建設可能な設計を生成できます。
このフレームワークは、ノズルの角度半径や連続パスの要求など、現実世界のハードウェア制約を組み込んでいます。大型コンクリート3Dプリンターの具体的な制約を特定するために、マサチューセッツ工科大学のチームはボストンにあるAutodesk技術センターの機械オペレーターと協力しました。これらの現場の洞察は、製造に関する3つの制約を明らかにしました：必要なビーズの厚さ、ノズルの回転の鋭さ、および連続したライン上で印刷する必要があるという要求です。特に注目すべきは、これらの物理法則が彼らのソフトウェアに直接統合され、古い非効率的な方法に取って代わったことです。チームが印刷当日に橋のサイズを少し小さくする必要があったとき、彼らは最適化を再実行するだけで、5〜10分以内に更新された設計を得ることができました。
共同第一著者であり土木および環境工学科の博士課程の学生であるゼイン・シュメルは、「5年前、10年前、私たちが使用していたソルバーは、3年前ですらこれらの問題を解決できませんでした。この分野は常に無視されてきました。なぜなら、誰もがこれが私たちが探求できる方向ではないと考えていたからです。しかし、新しいアルゴリズムとリソースの出現により、私たちは問題のフレームワークを構築できるようになりました。」と述べています。彼らのフレームワークを検証するために、研究者たちは900ポンドのコンクリート橋を成功裏に印刷し、2,000ポンド以上の重さに耐え、ほとんど曲がることなく、彼らのシミュレーション結果と完全に一致しました。
しかし、テストは驚くべきことに構造が過剰設計されていることを示しました。一定の負荷の下で、構造の形状はコンクリートによって決定されるのではなく、印刷機の物理的制約によって制約されていました。この発見は、将来の建築技術に対して明確なロードマップを提供します。
新しいフレームワークは未来の建築技術に革新的な解決策を提供する
特に、このフレームワークは数学的に理想的な設計を計算します。したがって、これらのハードウェア制約によって失われる材料効率を正確に測定するために使用できます。チームは、印刷されたビーズの幅を4センチメートルから1センチメートルに減少させることで、材料使用量を最大76%削減できることを発見しました。構造はコンクリートの圧縮力に対する高い耐性に依存しているため、型を無駄にする必要がなく、災害後の救援インフラの迅速な建設に非常に適しています。しかし、この構造は引張力の影響を受けやすく、テスト橋が一つの角から持ち上げられた際に破断したことが示しています。この制約を解決するために、チームの次の段階は鉄筋コンクリートの開発に焦点を当てていますが、鉄筋を3D印刷プロセスに統合することには独自の技術的課題があります。