Forschende am MIT haben einen neuen Ansatz vorgestellt, der den Bau mit 3D-gedrucktem Beton deutlich effizienter und möglicherweise auch umweltfreundlicher machen könnte. Ihre jüngste Studie zeigt, wie sich Materialverschwendung verringern lässt, wenn die tatsächlichen Grenzen von 3D-Druckern bereits im Entwurfsprozess berücksichtigt werden. Gleichzeitig entstehen Konstruktionen, die ohne oder mit nur geringer manueller Nachbearbeitung druckbereit sind, berichtet MIT News.
Die in der Fachzeitschrift Additive Manufacturing veröffentlichte Studie befasst sich mit einer seit Langem bestehenden Herausforderung des rechnergestützten Entwurfs. Ingenieure nutzen häufig die Topologieoptimierung, ein Verfahren, das eine möglichst belastbare Struktur bei möglichst geringem Materialeinsatz berechnet. Das Problem: Diese mathematisch idealen, netzartigen Geometrien lassen sich mit heutigen großformatigen Beton-3D-Druckern oft nicht herstellen.
„Bei der Übertragung dieser extrem optimierten Entwürfe in herstellbare Konstruktionen stießen wir auf zahlreiche Lücken, durch die man fallen kann“, sagte Hajin Kim-Tackowiak, einer der beiden Erstautoren und Postdoktorand am Department of Civil and Environmental Engineering des MIT. „Diese Lücken waren regelrechte Abgründe.“
Um diese Lücke zu schließen, arbeitete das MIT-Team mit Ingenieuren im Autodesk Research Residency Program zusammen. Dabei identifizierten sie drei wesentliche Druckbeschränkungen: die Mindestbreite jeder extrudierten Betonraupe, die engstmögliche Kurve der Druckdüse und die Anforderung, entlang eines einzigen durchgehenden Pfads zu drucken. Diese Grenzen wurden direkt in das Optimierungsmodell integriert. Dadurch erzeugt es auf einem gewöhnlichen Laptop in etwa zwei Minuten druckbare Entwürfe, statt eine tagelange Nachbearbeitung zu erfordern.
Zur Validierung des Verfahrens entwarfen die Forschenden eine 2.3 Meter lange Betonbrücke und druckten sie aus handelsüblichem Standardmörtel in 3D. Der Druck dauerte lediglich 30 Minuten. Obwohl die Brücke rund 900 Pfund wog, trug sie bei Belastungsversuchen erfolgreich mehr als 2,000 Pfund Betonblöcke, ohne sich messbar nennenswert durchzubiegen. Damit entsprach ihr Verhalten weitgehend den Simulationen des Teams.
Die vielleicht größte Überraschung zeigte sich nach den Tests. Die Ergebnisse machten weniger die Grenzen des Betons selbst deutlich, sondern zeigten, dass die heutige 3D-Druckhardware den eigentlichen Engpass darstellt.
„Wir stellten fest, dass unsere Konstruktion massiv überdimensioniert war“, sagte Kim-Tackowiak. „Von null bis 200,000 Pfund wird der Entwurf vollständig von diesen Einschränkungen bestimmt: Kann ich das bauen oder nicht?“
Mit gemischt-ganzzahliger Optimierung konnten die Forschenden außerdem messen, wie stark jede Hardwarebeschränkung die Materialeffizienz beeinflusst. Die leitende Autorin Josephine Carstensen erklärte, dass das Modell das globale Optimum bestimmt und deshalb genau vorhersagen kann, wie sich verbesserte Hardware auf künftige Entwürfe auswirken würde. Die Analyse ergab, dass eine Verringerung der gedruckten Raupenbreite von 4 Zentimetern auf 1 Zentimeter den Materialeinsatz um bis zu 76% senken könnte, während die Sicherheitsreserven weiterhin klar eingehalten würden.
Die Brücke veranschaulicht zudem ein weiteres wichtiges Konstruktionsprinzip. Alle ihre Bestandteile sind so ausgelegt, dass sie unter Druckbeanspruchung bleiben, bei der Beton seine Stärken am besten ausspielt. Als Nächstes möchten die Forschenden das Modell auf Stahlbeton erweitern und untersuchen, wie Bewehrung, beispielsweise Bewehrungsstahl, in 3D-gedruckte Strukturen integriert werden kann. Gelingt dies, könnte der Ansatz leichtere und nachhaltigere Bauweisen ermöglichen. Zugleich würde er Druckerherstellern klare Hinweise geben, welche Hardwareverbesserungen den größten Umweltnutzen versprechen.
