Mini-most z drukarki 3D przetrwał 900 kg obciążenia. Pokonała go miotła

Wielka, przemysłowa drukarka potrzebowała około 30 min, aby stworzyć betonowy most o długości aż 2,3 m. Konstrukcja utrzymała ciężar przekraczający 900 kg i praktycznie się nie ugięła. Brzmi świetnie, ale naukowcy z MIT szybko zauważyli problem. Okazało się, że most był absurdalnie mocny, za ciężki i zużył znacznie więcej materiału, niż naprawdę potrzebował.

Drukowanie wyglądało trochę jak nakładanie kremu na ogromne ciasto. Dysza poruszała się nad platformą i wyciskała kolejne pasma zwykłej, dostępnej w sprzedaży zaprawy. Warstwa po warstwie powstała ażurowa konstrukcja przypominająca kamienną pajęczynę. Nie użyto form ani tradycyjnych szalunków, do których normalnie wlewa się beton. Cały most został wydrukowany jedną, nieprzerwaną linią. To ważne, bo każde zatrzymanie, ponowne rozpoczęcie druku i połączenie materiału może stać się słabszym punktem konstrukcji.

Gotowy prototyp ważył nieco ponad 400 kg. Podczas próby obciążeniowej ułożono na nim ponad 907 kg betonowych bloków. Most praktycznie się nie ugiął, a jego zachowanie bardzo dobrze odpowiadało wcześniejszym symulacjom komputerowym.

Fajne? Oczywiście. Tyle że inżynierowie nie próbowali po prostu udowodnić, że drukarka potrafi zrobić coś ciężkiego i mocnego. Chcieli stworzyć możliwie lekką konstrukcję, która zużyje beton tylko tam, gdzie rzeczywiście jest potrzebny. I tu zaczyna się ciekawsza część historii.

Do odchudzania konstrukcji inżynierowie wykorzystują optymalizację topologiczną. Program otrzymuje przestrzeń, punkty podparcia i przewidywane obciążenia, a następnie usuwa materiał z miejsc, w których nie jest potrzebny. Efekty często wyglądają niesamowicie: cienkie łuki, rozgałęzienia i kształty przypominające kości albo pajęczyny. Problem w tym, że najlepsza konstrukcja w komputerze może być kompletnie niemożliwa do zbudowania.

Duża drukarka do betonu nie skręca dowolnie ostro. Jej dysza ma określoną średnicę, a wyciskana warstwa nie może być zbyt cienka. Maszyna musi też znaleźć trasę, po której przejedzie bez nagłego zatrzymywania się, cofania i przeskakiwania między oddzielnymi fragmentami.

Zespół MIT wpisał te ograniczenia bezpośrednio do algorytmu. Program nie projektował więc idealnego mostu, który ktoś później będzie próbował dostosować do rzeczywistości. Od początku szukał najlepszego kształtu możliwego do wydrukowania na konkretnym urządzeniu.

Gotowy projekt powstawał na laptopie w około 2 min. Kiedy tuż przed drukiem okazało się, że most trzeba nieco zmniejszyć, wystarczyło ponownie uruchomić obliczenia. Po 5-10 min dostępna była poprawiona wersja.

W klasycznym podejściu podobne dostosowywanie może wymagać wielu godzin albo dni ręcznej pracy. Tutaj człowiek zmienił wymiary, a komputer sam przebudował całą betonową pajęczynę.

Test ujawnił coś niezwykle zaskakującego. Konstrukcja nie była ciężka dlatego, że potrzebowała aż takiej ilości betonu. Była ciężka, ponieważ ograniczenia drukarki nie pozwalały usunąć go więcej.

Maszyna nakładała pasma zaprawy szerokie na około 4 cm. To właśnie szerokość pojedynczej ścieżki okazała się największym hamulcem. Przy tak grubej warstwie drukarka nie potrafiła stworzyć cieńszych żeber i delikatniejszych rozgałęzień, nawet jeśli obliczenia pokazywały, że spokojnie wytrzymałyby obciążenie.

Naukowcy sprawdzili więc, co wydarzyłoby się po zastosowaniu dyszy drukującej pasma szerokie na 1 cm. Wynik robi wrażenie. Zużycie materiału mogłoby spaść nawet o 76 proc., a konstrukcja nadal zachowałaby wymagany margines bezpieczeństwa. Krótko mówiąc, obecny most nie pokazuje jeszcze, jak mało betonu można zużyć. Pokazuje, ile betonu trzeba zmarnować, gdy korzysta się ze zbyt mało precyzyjnego sprzętu.

To bardzo ważna informacja dla producentów drukarek przemysłowych. Zamiast budować szybsze i większe urządzenia, warto najpierw opracować dysze potrafiące stabilnie układać węższe pasma materiału. Stosunkowo niewielka zmiana sprzętowa może dać większe oszczędności niż dalsze poprawianie samego betonu.

Kształt mostu zaprojektowano tak, aby wszystkie jego fragmenty były ściskane. Beton świetnie znosi nacisk, ale znacznie gorzej radzi sobie z rozciąganiem. Właśnie dlatego tradycyjne konstrukcje wzmacnia się stalowym zbrojeniem.

Podczas próby most działał dokładnie tak, jak powinien. Obciążenie naciskało z góry, a siły rozchodziły się po łukach i podporach. Konstrukcja wytrzymała ponad 900 kg bez zauważalnego ugięcia. Później wydarzyło się coś niemalże komicznego. Pracownik podniósł jeden z narożników o kilka centymetrów, żeby zamieść pod mostem. Niestety konstrukcja pękła.

Nie oznacza to, że projekt był błędny. Podnoszenie narożnika wywołało rozciąganie w miejscach, które podczas normalnej pracy miały być wyłącznie ściskane. Most został zoptymalizowany pod konkretne obciążenie, a nie pod każdą możliwą sytuację – w tym sprzątanie pod nim.

To jednak dobre przypomnienie, że laboratoryjny prototyp nie nadaje się jeszcze do ustawienia nad rzeką. Prawdziwy most musi wytrzymać wiatr, zmiany temperatury, drgania, nierównomierny ruch, uderzenia oraz błędy podczas transportu i montażu. Kolejnym krokiem ma być więc drukowanie konstrukcji ze zbrojeniem. I tu pojawia się następny problem: jak automatycznie wprowadzać stalowe pręty do betonu nakładanego jednym ciągłym ruchem. Łatwo powiedzieć, trudniej przepchnąć zbrojenie przez dyszę.

Beton ma ogromny ślad węglowy, dlatego każda technologia pozwalająca ograniczyć jego ilość jest cenna. Druk 3D może układać materiał dokładnie tam, gdzie jest potrzebny, a przy okazji eliminuje szalunki, które trzeba przygotować, przetransportować, zmontować, a później usunąć.

Jak pisaliśmy w tekście: Roboty drukują beton pod wodą. "Twardnieje w sekundę", podobne maszyny mogą w przyszłości stawiać konstrukcje również na dnie morza, wykorzystując lokalne osady i ograniczając transport tysięcy ton materiałów.

Sam robot nie gwarantuje jednak oszczędności. Jeżeli jego dysza jest za gruba, ruchy zbyt ograniczone, a projekt musi zostać uproszczony, wydrukowana konstrukcja może zawierać znacznie więcej betonu, niż komputerowy ideał.

Przeczytaj także:

Nowa metoda MIT jest więc cenna nie dlatego, że stworzyła kolejny efektowny most do zdjęć. Pozwala dokładnie policzyć cenę każdego ograniczenia drukarki. Pokazuje producentom, która poprawka przełoży się na największą redukcję masy, kosztów i emisji. Na razie most jest niewielki, nie ma zbrojenia i pęka, gdy ktoś podniesie go w nieodpowiednim miejscu. To nie wada całego pomysłu, tylko uczciwy etap rozwoju technologii. Znacznie bardziej niepokojące byłoby chwalenie się 30-minutowym drukiem i przemilczenie, że 3/4 wykorzystanego materiału może kiedyś okazać się zbędne.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: MIT