Beton, Dünya'da en yaygın kullanılan inşaat malzemesidir ve üretimi, karbon emisyonlarının en büyük tek kaynaklarından biridir. Çevresel etkisini azaltmanın bir yolu, betonu 3D yazdırmak; bunu, dev bir krema sıkma robotu gibi, boncuk boncuk dökerek yapmaktır. Bu süreç, kalıplara dökme işleminin iş gücü gerektiren kalıp işçiliğini ortadan kaldırır ve malzemeyi yalnızca bir yapının ihtiyaç duyduğu yerlerde kullanır.
Ancak bilgisayarlar tarafından oluşturulan en verimli tasarımların birçoğu, günümüz yazıcıları tarafından inşa edilemez. Mühendisler, en az malzeme kullanarak en güçlü yapıyı bulmak için topoloji optimizasyonu adı verilen bir teknik kullanır. Ancak bu matematiksel olarak ideal tasarımlar, kalın memeleri, sınırlı dönüş açıları ve sürekli bir hareketle yazdırma ihtiyacı olan büyük ölçekli beton yazıcıların fiziksel sınırlamalarını dikkate almaz.
Şimdi MIT araştırmacılarından oluşan bir ekip, bu boşluğu kapatmanın bir yolunu geliştirdi. Çerçeveleri, yeni bir Additive Manufacturing makalesinde tanımlanan, bir yazıcının gerçek üretim sınırlarını doğrudan optimizasyona entegre eder, böylece çıkan tasarım, bir makinenin az veya hiç manuel yeniden tasarım gerektirmeden inşa edebileceği bir tasarımdır. 2,3 metre uzunluğunda bir beton köprü tasarlayıp yazdırarak ve yük testine tabi tutarak bunu gösterdiler ve günümüz yazıcı donanımının, betonun kendisi değil, bir yapının ne kadar hafif olabileceğini sınırladığını buldular.
“Bu süper optimal tasarımları üretilebilir tasarımlara dönüştürmeye çalışırken birçok çatlak buluyorduk,” diyor ortak yazar Hajin Kim-Tackowiak, MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği (CEE) bölümünde doktora sonrası araştırmacı. “Bu çatlaklar, derin yarıklar gibiydi.”
İnşa edilebilecek şekilde tasarlamak
Sınırlamaları netleştirmek için ekip, Boston'daki Autodesk tesisinde büyük ölçekli yazıcıları yöneten kişilerle çalıştı.
“Bize bazı keskin açılarımızı gösterdiler ve 'Bunu yazdırmakta kendimi güvende hissetmiyorum' dediler,” diye hatırlıyor Kim-Tackowiak.
Bu konuşmalar, üç ana sınırlamayı ortaya çıkardı: her yazdırılan boncuğun ne kadar kalın olması gerektiği, memenin ne kadar keskin dönebildiği ve tek bir sürekli çizgide yazdırma ihtiyacı. Araştırmacılar, her kısıtlamayı doğrudan çerçevenin matematiksel kurallarına çevirdiler.
Mevcut 3D yazdırılmış yapılar genellikle önce şekli optimize eden eski yöntemlerle üretilir ve ardından “büyük miktarda son işlem” gerektirir; bu da günler alır, diyor Kim-Tackowiak. Buna karşılık, ekibin çerçevesi, bir dizüstü bilgisayarda yaklaşık iki dakikada tamamen yazdırılabilir tasarımlar üretti. Ekip, yazdırma günü köprünün boyutunu biraz azaltmaları gerektiğinde, optimizasyonu yeniden çalıştırarak beş ila on dakika içinde güncellenmiş bir tasarım elde ettiler.
“Bu hızın elde edilmesi oldukça yenidir,” diyor ortak yazar Zane Schemmer, CEE'de doktora öğrencisi. Yöntemin dayandığı matematik, karmaçık tam sayılı optimizasyon, uzun süre kullanılmasının çok zor olduğu düşünülüyordu. “Beş, on yıl önce geri giderseniz, kullandığımız çözücü, hatta üç yıl önce, bu problemleri çözemiyordu,” diyor. “Bu alan, herkesin gidebileceğimiz bir yol olmadığını düşündüğü için kaçınılmıştı. Ancak yeni algoritmalar ve kaynaklarla, sorunları çerçevelemeye başlama yolu haline geliyor.”
Bir köprü gerçek sınırlamayı ortaya koyuyor
Çerçeveyi doğrulamak için araştırmacılar, Autodesk tesisine geri dönerek 2,3 metre uzunluğunda bir beton köprü yazdırdılar.
“Köprünün yapımı yaklaşık 30 dakika sürdü ve hazır harçtan inşa edildi,” diyor kıdemli yazar Josephine Carstensen, İnşaat Mühendisliği'nde Gilbert W. Winslow (1937) Kariyer Geliştirme Profesörü.
Testlerde, yaklaşık 900 pound ağırlığındaki yapı, üzerinde 2,000 pounddan fazla yük taşıdı ve neredeyse ölçülebilir bir eğilme olmadan, ekibin simülasyonlarıyla yakından eşleşti.</
