Ein Team am Massachusetts Institute of Technology hat eine neue Methode zum 3D-Drucken von Betonstrukturen entwickelt, eine Technik, die gleichzeitig Materialverbrauch, Kosten und klimaschädliche CO2-Emissionen reduzieren könnte. Während 3D-gedruckte Betonstrukturen bereits auf der Welt sind, sind aktuelle Systeme noch sehr unoptimiert. Bisherige Optimierungsversuche hatten jedoch den Nachteil, dass sie zu perfekt waren. Das heißt, dass algorithmisch generierte Blaupausen für ideale Bedingungen gedacht waren, die reale, etwas unhandliche Drucker nie wirklich herstellen könnten. Das MIT-Team hat einen neuen Algorithmus entwickelt, der auf ausgefeilterer Mathematik basiert und die Unbeholfenheit berücksichtigen und gleichzeitig das realistisch ideale Design ermitteln kann. Ihr erstes Ergebnis ist eine Modellbrücke, die bei gleicher Tragfähigkeit 16 % leichter ist als ihr traditionell hergestelltes Äquivalent.
Das ist wichtig, denn die Menschheit verbraucht sicherlich viel Beton. Wir verwenden Beton mehr als jede andere Substanz auf der Erde, abgesehen vom Wasser selbst. Doch um all das konkret zu machen, wird eine riesige Menge CO2 in die Atmosphäre geblasen: 8 % aller CO2-Emissionen stammen tatsächlich allein aus diesem Prozess. Daher wäre jede Reduzierung des CO2-Ausstoßes bei der Betonproduktion ein großer Schritt im Kampf gegen den Klimawandel. Frühere Untersuchungen ergaben, dass der 3D-Druck von Beton im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren 86 % der Emissionen einspart. Ganz zu schweigen von der Materialeinsparung! Weniger Ressourcen, weniger Kosten, weniger Gewicht, weniger Kohlenstoff. Hört sich für mich auf jeden Fall gut an. Ein Haupthindernis für eine breite Akzeptanz war die Kluft zwischen den idealen Designs und den tatsächlichen Druckern. Wenn diese neue Methode die Lücke schließen kann, eröffnen sich einige sehr spannende Möglichkeiten.
Die neue Methode bezieht die Mathematik ein, die den Programmen zugrunde liegt, die die Blaupausen erstellen. Wie im Whitepaper des Teams erläutert und von MIT News berichtet, konnten ältere Modelle Druckermängel einfach nicht erfassen, was zu zu perfekten Designs führte. Drucker haben Einschränkungen wie die Größe der aufgetragenen Betonperlen, den Drehradius der Düse und die Krümmung (oder das Fehlen einer solchen) der Perlenlinien. Vor allem spitze Winkel sind für Drucker nicht besonders gut. Um all das in Zahlen zu erfassen, gibt es eine mathematische Technik namens Mixed-Integer-Programmierung, die funktionieren könnte, aber so rechenintensiv ist, dass sie nicht machbar war. Was sich geändert hat und was das MIT-Team konkret umgesetzt hat, waren einige neuere Innovationen bei der Berechnung dieser Technik. Hier steckt eine ganze Menge sehr intelligenter Zauberei dahinter, aber das Endergebnis ist, dass es nun möglich ist, optimale Designs abzuleiten, die davon abhängen, was ein Drucker tatsächlich herstellen kann.
Individuelle Betondesigns auf Bestellung
Hier gibt es viel zu mögen, aber es wird noch besser. Sobald der Beton hergestellt ist, muss er traditionell in eine Form gegossen werden. Die Herstellung der Form ist an sich kein trivialer Prozess und fixiert das fertige Produkt auf eine ganz bestimmte Form. Was ist, wenn Sie die Form schnell ändern möchten? Oder was wäre, wenn Sie eine komplexe Form nur einmal erstellen möchten, für die der Bau einer ganzen Form unwirtschaftlich wäre? Beim 3D-Druck ist nichts davon erforderlich, da lediglich Betonperlen aus einer Düse aufgetragen werden. Machen Sie jede verrückte Form, die Sie wollen, nehmen Sie spontane Änderungen vor und machen Sie, was Sie wollen. Auch hier werden Ressourcen, Kosten und Emissionen eingespart.
Aber wir haben noch nicht ganz eine goldene (oder, nun ja, triste graue) neue Ära erreicht. Es müssen weitere Tests durchgeführt und diese Methode skaliert werden. Die Testbrücke war weniger als 8 Fuß lang und wog nur 900 Pfund. Die tatsächliche Infrastruktur wird etwas mehr sein. Darüber hinaus weist reiner Beton Einschränkungen hinsichtlich der Richtung der Kraft auf, die er aufnimmt. Aus der einen Richtung ist es eine mächtige Brücke, aus der anderen hingegen ist es eine zerbrechliche kleine Schneeflocke, die leicht zerbricht. (Tatsächlich brach die Testbrücke, als jemand versuchte, sie anzuheben.) Aus diesem Grund wird realer Beton mit Bewehrungsstäben verstärkt. Und keine komplizierte Mathematik hat herausgefunden, wie man Bewehrungsstäbe in 3D druckt oder auch nur manuell Bewehrungsstäbe in den 3D-Druckprozess einfügt. Dennoch ist dies ein echter und aufregender Fortschritt.
