프린터의 한계를 먼저 계산한 2.3미터 콘크리트 교량
컴퓨터가 만든 효율적인 거미줄 모양의 설계 중에는 오늘날의 콘크리트 프린터가 출력할 수 없는 것들이 있다. MIT 연구팀은 콘크리트 3D프린터의 실제 제약을 위상 최적화에 직접 넣고, 그 결과로 길이 2.3미터 교량을 출력해 시험했다.
출력 가능한 모양을 찾는 세 조건
대형 콘크리트 프린터는 비드를 일정 두께로 놓아야 하고, 노즐이 너무 급하게 꺾일 수 없으며, 한 줄의 연속 경로를 따라야 한다. 연구팀은 이 세 제조 제약을 수학 규칙으로 바꿨다. 형상을 먼저 최적화한 뒤 다시 손보는 대신 처음부터 만들 수 있는 설계를 찾았다.
프레임워크는 노트북에서 약 2분 만에 출력 가능한 설계를 생성했다. 연구팀은 시판 모르타르로 약 900파운드 무게의 교량을 약 30분에 출력했다. 위에 넓게 분산된 2,000파운드 이상의 하중에서도 측정 가능한 휨이 거의 없었고, 결과는 시뮬레이션과 가까웠다.
버틴 하중과 들어 올리는 힘은 달랐다
교량은 모든 부분이 압축을 받도록 설계됐다. 콘크리트는 누르는 압축에는 강하지만 당기는 인장에는 약하다. 시험 뒤 작업자가 한쪽 모서리를 몇 인치 들자 일부에 설계하지 않은 인장이 생겼고 교량이 깨졌다. 분산 하중에서의 결과를 다른 지지 조건이나 현장 안전으로 넓혀 읽을 수 없는 이유다.
실제 출력에는 4센티미터 비드가 쓰였다. 분석에서는 1센티미터 비드를 놓는 장비를 가정했을 때 안전 여유 안에서 재료를 최대 76퍼센트 줄일 수 있었다. 이 수치는 장비 조건을 바꾼 분석이며 실제 교량의 절감률이 아니다.
연구팀은 다음 단계로 철근콘크리트를 검토한다. 다만 출력 중 철근을 어떻게 공급할지는 별도의 과제다. 이 교량은 프린터가 만들 수 있는 압축 구조로 설계됐다. 한쪽을 들어 올린 상황에서는 처음 설계에 없던 인장이 생겼고, 콘크리트의 약점이 드러났다.
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