麻省理工学院的研究人员开发出一种专为3D打印混凝土结构设计的框架，该框架将打印机的物理限制直接嵌入结构优化过程，能够生成机器可以直接建造的设计方案，且之后几乎无需人工重新设计。

工程师通常使用拓扑优化来计算用最少材料实现最强结构的设计方案，但由此产生的设计往往带有复杂的蛛网式形状，鉴于大型混凝土打印机拥有厚喷嘴且转弯能力有限，这些形状在物理上无法被制造出来。

MIT团队将这些约束条件，以及需要一次性连续打印的要求，直接融入了数学计算中。

为可建造性而设计
研究人员通过Autodesk研究驻场计划，与Autodesk波士顿技术中心的大型打印机操作人员合作，进一步细化了这些约束条件。“在将这些超级优化设计转化为可制造设计的过程中，我们发现有许多裂缝会让你功亏一篑，”MIT土木与环境工程系博士后、该研究的共同第一作者Hajin Kim-Tackowiak表示。该研究发表在《增材制造》期刊上。

该框架依赖于混合整数优化，这是一种曾被认为对于此类问题计算量过大的数学方法。它在普通笔记本电脑上仅需约两分钟即可生成完全可打印的设计方案，而旧方法则需要数天的后处理。

“你回到五年前、十年前，我们使用的求解器，甚至三年前的，都无法解决这类问题，”CEE系博士生、该研究的共同第一作者Zane Schemmer表示。

一座桥揭示了极限
团队通过在Autodesk工厂打印并加载测试一座2.3米长的混凝土桥来验证该框架，该桥使用商用砂浆在约30分钟内建造完成。这座重约900磅的结构承受了超过2000磅的载荷，且几乎没有可测量的弯曲。

“对于混凝土来说，它受压时表现极好，受拉时则非常差，”该研究的资深作者、MIT土木工程领域教授Josephine Carstensen表示。

测试显示，在高达20万磅的承载能力范围内，设计完全由制造约束驱动，而非混凝土本身的物理性能。由于该桥使用了4厘米的打印层厚，研究人员计算出，采用1厘米的层厚可在安全范围内减少高达76%的材料用量。

这项工作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。