Los métodos existentes para hormigón impreso en 3D requieren típicamente días de procesamiento manual posterior para hacer que los diseños de computadora sean imprimibles. Los diseños matemáticamente perfectos resultaban demasiado intrincados para que las impresoras con boquillas gruesas pudieran construirlos. "Encontrábamos muchas grietas por las que se podía caer cuando se trataba de traducir estos diseños súper óptimos en diseños manufacturables. Esas grietas eran como abismos", explicó Hajin Kim-Tackowiak, investigador postdoctoral del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT.

El equipo de investigadores del MIT desarrolló un marco matemático utilizando "optimización de enteros mixtos" avanzada. Este software integra directamente los límites reales de fabricación de la impresora en el proceso de diseño y genera diseños completamente construibles en solo dos minutos. El sistema incorpora restricciones de hardware del mundo real, como el radio de giro de la boquilla y los requisitos de trayectoria continua.

Para identificar las limitaciones exactas de las impresoras 3D de hormigón a gran escala, el equipo del MIT colaboró con operadores de máquinas en el Centro de Tecnología de Autodesk en Boston. Estos conocimientos prácticos revelaron tres restricciones de fabricación: el espesor requerido del cordón, la nitidez del giro de la boquilla y la necesidad de imprimir en una línea continua única. Las reglas físicas se integraron directamente en el software, reemplazando métodos anteriores ineficientes.

Cuando el equipo necesitó reducir ligeramente el tamaño del puente el día de la impresión, simplemente volvió a ejecutar la optimización y obtuvo un diseño actualizado en 5 a 10 minutos. "Hace cinco o diez años, el solucionador que usamos, incluso hace tres años, no podría haber resuelto estos problemas. Este campo ha sido evitado, porque todos piensan que no es una avenida por la que podamos ir. Pero con nuevos algoritmos y recursos, se está convirtiendo en una forma en que podemos comenzar a enmarcar problemas", señaló Zane Schemmer, coautor principal y estudiante de doctorado en Ingeniería Civil y Ambiental.

El marco fue validado imprimiendo un puente de hormigón de 2,3 metros que soportó más de 2.000 libras (aproximadamente 907 kilogramos). "El puente tardó aproximadamente 30 minutos en fabricarse y fue construido con mortero disponible en el mercado", dijo Josephine Carstensen, autora principal y Profesora de Desarrollo de Carrera Gilbert W. Winslow (1937) en Ingeniería Civil.

Durante las pruebas, el puente de aproximadamente 900 libras (unos 408 kilogramos) soportó más de 2.000 libras de bloques de hormigón distribuidos en su parte superior sin doblarse de manera medible. Sin embargo, las pruebas revelaron sorprendentemente que la estructura estaba muy sobredimensionada. Hasta cierto punto de carga, la forma de la estructura no estaba dictada por el hormigón sino por las limitaciones físicas de la impresora.

Este descubrimiento proporcionó una hoja de ruta clara para el futuro de la tecnología de construcción. El marco calcula el diseño matemáticamente ideal y puede usarse para medir con precisión exactamente cuánta eficiencia de material se pierde debido a estas restricciones de hardware. El equipo descubrió que reducir el ancho del cordón impreso de 4 centímetros a 1 centímetro podría reducir el uso de material hasta en un 76 por ciento.

Dado que la estructura depende de la alta resistencia del hormigón a las fuerzas de compresión, no requiere moldes derrochadores. Esto la hace ideal para construir infraestructura de alivio de desastres rápidamente. Sin embargo, sigue siendo vulnerable a fuerzas de tracción, como se demostró cuando el puente de prueba se rompió después de ser levantado desde una esquina.

Para abordar esta limitación, la siguiente fase del equipo se enfoca en desarrollar hormigón reforzado, aunque integrar varillas de refuerzo en el proceso de impresión 3D presenta sus propios desafíos técnicos únicos. Este avance representa un paso significativo hacia la construcción más sostenible y eficiente en recursos, con implicaciones potenciales para infraestructura de emergencia, vivienda asequible y reducción de la huella de carbono de la industria de la construcción.