麻省理工学院（MIT）的研究人员开发了一种设计框架，能够在兼顾3D打印机物理限制的同时，优化混凝土结构。该研究还揭示，实现更轻量化结构的关键瓶颈在于打印机硬件，而非混凝土本身。混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料，也是最大的碳排放源之一。像大型机器人挤花袋一样，逐层打印混凝土是减少环境足迹的途径之一：它省去了向模具中浇筑的劳动力，并且只在结构需要的地方沉积材料。问题在于，最精简的计算机生成设计往往无法打印出来。工程师们使用拓扑优化来寻找使用最少材料的最强形状，但那些精细的网状结构忽略了大型打印机的现实情况——它们具有粗大的喷嘴、受限的转弯半径以及需要不间断连续铺设混凝土的要求。
为打印机的实际能力而设计
MIT团队在《增材制造》期刊上发表的论文中，将这些制造限制直接纳入优化过程，使得最终输出几乎无需或只需极少的人工返工即可打印 。为了确定真正的限制条件，研究人员加入了Autodesk研究驻留计划，并与位于波士顿的Autodesk技术中心的大型打印机操作员一起工作。"他们指着我们设计中的一些尖锐角度说，‘打印这样的东西我觉得不安全，’"Kim-Tackowiak回忆道。这些交流确定了三个限制条件：每条打印料道的必要厚度、喷嘴的急转弯能力以及连续打印的需求，这些都被转化为框架中的数学规则。速度是这种方法与众不同的地方。较旧的方法先优化形状，然后，用Kim-Tackowiak的话说，需要"大量的后处理"，这可能会耗费数天时间；而新框架在笔记本电脑上大约两分钟就能生成完全可打印的设计。在打印当天，临时缩小尺寸的调整也只需五到十分钟就能重新运行。
麻省理工学院土木与环境工程系博士后Hajin Kim-Tackowiak（左）和研究生Zane Schemmer与他们设计并经过负载测试的3D打印混凝土桥梁合影。照片由麻省理工学院提供。
实现这一速度的数学方法——混合整数优化——长期以来被认为不切实际。"达到这样的速度是最近才实现的，"共同第一作者、土木与环境工程系博士生Zane Schemmer说。"回到五到十年前，我们使用的求解器，甚至三年前，都无法解决这些问题。这个领域一直被回避，因为大家都认为这条路走不通。但随着新算法和资源的出现，它正成为一种我们可以开始构建问题框架的方法。"
揭示真正瓶颈的桥梁
为了验证该方法，该团队在Autodesk的设施中打印并测试了一座2.3米长的桥梁。"这座桥大约花了30分钟制作，使用的是市售砂浆，"资深作者Josephine Carstensen说。这座约900磅（约408公斤）的结构在承受超过2000磅（约907公斤）的分布载荷时没有出现可测量的弯曲，与团队的模拟结果非常吻合。测试带来的最大惊喜是，有多少强度被浪费了。"我们发现我们的结果过于保守，"Kim-Tackowiak说。"从零到20万磅，你的设计完全由‘我能不能造出来’这类限制所驱动。然后，在20万磅之后，你才能开始考虑物理原理。"简而言之，决定桥梁效率的是打印机的限制，而非混凝土的强度。
由于该框架能找到数学上的最优设计，研究人员可以计算出每个硬件限制所消耗的材料成本。"通过混合整数优化，我们可以找到全局最优解，也就是最好的解决方案，而不仅仅是一个不错的解决方案，"Carstensen说。决定性因素是料道宽度：该桥使用了4厘米宽的料道，但分析表明，如果打印机使用1厘米宽的料道，可以在"完全处于安全边际内"的情况下，将材料用量减少高达76%。这颠覆了预期。"我原以为连续路径会是最棘手的问题，影响最大，"Carstensen说。"但事实并非如此。是料道宽度。"这一发现实际上为打印机制造商提供了路线图，表明适度的硬件升级可以带来巨大的效率提升，并减少混凝土的碳足迹。
为受压而设计，以及下一步计划
这座桥之所以有效，是因为每个部分都处于受压状态。"对于混凝土，它在受压时表现非常好，在受拉时表现非常差，"Schemmer说。"我们能够保证你看到的每一块混凝土都处于受压状态，没有任何部分受到拉力。"节省材料不仅来自于使用更少的材料，还来自于完全省去模具，这种优势在一次性形状上更为突出；Carstensen看到了在救灾中的早期应用前景，"你可以快速搭建新的基础设施，而无需制作模板。"这种纯受压的特性在测试后得到了戏剧性的体现。这座桥承受了超过2000磅的载荷纹丝不动，但当一名工人为了打扫桥底而将桥的一角抬起几英寸时，它突然断裂了，因为抬起动作使结构的部分区域承受了它们从未被设计要承受的拉力。"它在某方面是最优的，但肯定不是在所有方面都是最优的，"Kim-Tackowiak说。
下一步是钢筋混凝土："我们知道纯混凝土结构不一定是最优的，所以我们正在将其推向我们今天所处的世界，即钢筋混凝土结构，"她说，同时补充道，"如何将钢筋送入打印的混凝土结构中，这本身就是一项挑战。"这项研究由美国国家科学基金会资助，并得到了MIT先进生产技术中心的支持。
这座桥的特写镜头展示了由挤压混凝土制成的堆叠层或珠状物，它们以一条连续的路径铺设，且没有使用模具。照片由麻省理工学院提供。
在设计阶段就消除混凝土的碳排放
MIT的做法是战略性的，而不仅仅是材料层面的。该团队不是改变混凝土的构成，而是改变其形状的选择方式，将优化器与打印机的实际限制联系起来，使得精益、无模具的结构得以真正建造。通过用浪费的材料来量化每个限制的影响，它将可持续性转化为一个具体的数字，并向机器制造商明确指出了需要改进的方向。
这种方法与近期低碳打印的研究工作不谋而合。2025年，宾夕法尼亚大学教授Masoud Akbarzadeh和瑞士材料公司Sika在威尼斯展出了名为"Diamanti"的3D打印混凝土桥，其空心、图案化的几何形状旨在减少材料用量和隐含碳；其后张拉、无粘合剂的组装方式使其可拆卸和可回收，这与MIT强调的"只在结构需要的地方放置材料"理念相呼应。
其他团队则通过化学途径解决同样的问题。同样在2025年，泰国的SCG公司使用LC3低碳水泥混合物完成了一座3D打印人行天桥，该混合物用煅烧粘土替代了部分水泥；而俄勒冈州立大学的研究人员则推出了一种快速凝固的粘土，它在挤出时瞬间固化，完全避开了水泥——水泥的生产约占全球二氧化碳排放量的8%。
几何结构、材料和机器正朝着同一个目标汇聚：减少每座建筑的碳足迹。MIT的见解在于，打印机现在是限制因素。更好的硬件，而不仅仅是更好的混凝土，可能会带来最大的收益。
来源： 中国3D打印网编译文章！
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