تکنولوژی چاپگر سه بعدی در صنعت ساختمان

ساخت اجسام با چاپگرهای سه بعدی اولین بار توسط پروفسور چالز (چاک)‌هال در سال ١٩٨۶ انجام شده است که با استفاده از انواع پلیمرها و به کمک لیزر خطی قوی رزین مایع را سخت می‌کند، به این روش چاپ (اس ال ای) می‌گویند. فناوری چاپ سه بعدی در چند سال گذشته پیشرفت چشمگیری در صنایع مختلف از ساخت و تولید تا پزشکی داشته است (هاگر و همکاران، ۲۰۱۵). صنعت ساخت‌وساز یکی از صنایعی است که از این تکنولوژی تأثیر گرفته است و در دهه‌های اخیر، این تکنولوژی به‌عنوان یک پیشرفت فراتر در صنعت ساختمان به تدریج به مرکز توجه مهندسان و معماران جهانی تبدیل شده است. این تکنولوژی نوآورانه و رو به جلو، امکان ساخت ساختمان‌ها و سازه‌های معماری با دقت بالا و سرعت بیشتر را فراهم کرده و در عین حال، به حفظ محیط‌زیست نیز به شکل قابل توجهی کمک کرده است (بنایی و جمالی، ۱۳۹۷). با توجه به مشکلات مرتبط با صنعت ساختمان، از جمله مصرف بالای انرژی، تلفات مصالح ساختمانی و آلودگی هوا، چاپ سه بعدی به‌عنوان یک راهکار نوآورانه و سازگار با محیط‌زیست به نظر می‌رسد. در این مقاله، به بررسی چاپ سه بعدی در صنعت ساختمان پرداخته خواهد شد.

چاپ سه بعدی ساختمان

از زمان ثبت اختراع اولین چاپگر سه بعدی، مواد مختلفی از جمله انواع پلاستیک و سرامیک تا بتن و گل را به‌وسیله چاپگرهای سه بعدی چاپ کرده‌اند. خود چاپگرها انواع و ابعاد متفاوتی دارند که با توجه به کاربرد و موادی که چاپ می‌کنند دسته‌بندی می‌شوند. در این مقاله ما به‌طور متمرکز بر روی چاپ سه بعدی در صنعت ساختمان تمرکز داریم.

چاپگر

دستگاهی است که به‌وسیله آن می‌توان از فایل‌های سه بعدی دیجیتال نمونه‌های سه بعدی واقعی ساخت. در چاپ سه‌بعدی ساختمان‌، چاپگرها نوعی ربات هستند و با کامپیوتر هدایت می‌شوند؛ برای چاپ سه بعدی به کامپیوتر و نرم‌افزار نیاز است (بنایی و جمالی، ۱۳۹۷) و از تمامی‌نرم‌افزارهای سه بعدی Autodesk نظیر: Rhaino _Maya_ Zbrush و…. می‌توان استفاده کرد (رائل و سن فراتلو، ۲۰۱۱).برخی از تکنولوژی‌های مورد استفاده برای چاپ سه بعدی در صنعت ساخت‌ و ساز فناوری چاپ سه بعدی انواع مختلفی دارد که به منظور نمونه‌سازی و تولید صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در زیر، نمونه‌ای از انواع فناوری‌های چاپ سه بعدی در صنعت ساخت‌وساز آورده شده است: Fused Deposition Modeling (FDM)

مدل‌سازی رسوب‌گذاری شده یک تکنولوژی است که در سال ۱۹۸۸ توسط crump scott اختراع شد. در این روش، یک رشته از مواد پلاستیکی یا مواد مشابه از یک نازل گرم به‌صورت لایه به لایه چاپ می‌شود. مواد پلاستیکی از طریق نازل آبکاری می‌شوند و به تدریج سفارشی شده و لایه به لایه به بالا ساخته می‌شوند. در طی دو دهه‌ی اخیر مدل‌سازی رسوب‌دهی شده (FDM) تبدیل به محبوب‌ترین و گسترده‌ترین روش چاپ سه بعدی در جهان شده‌ است. نقطه شروع برای هر فرآیند چاپ سه بعدی یک مدل دیجیتال سه بعدی است که می‌تواند با استفاده از انواع برنامه‌های نرم‌افزاری سه بعدی ایجاد شود. این مدل سپس به لایه‌هایی برش داده می‌شود و در نتیجه طراحی را به‌وسیله چاپگر به سه بعدی تبدیل می‌کند. مواد مورد پردازش توسط چاپگر سه بعدی با توجه به طراحی و روند آن لایه‌بندی می‌شوند (سیا و سنجیان، ۲۰۱۶).

Stereolithography (SLA)

استریولیتوگرافی (SLA) به عنوان اولین تکنولوژی چاپ سه‌بعدی شناخته می‌شود که به‌صورت تجاری معرفی شد. استریولیتوگرافی یک فناوری بر پایه لیزر است که در نتیجه واکنش رزین‌های فتوپلیمر با پرتو لیزر، جسمی‌جامد با دقت بسیار بالا تولید می‌کند. از این تکنولوژی برای ساخت قطعات بسیار دقیق استفاده می‌شود (حبیبی و همکاران، ۱۳۹۷). فناوری استریولیتوگرافی یا SLA در صنعت ساختمان برای تولید پروتایپ‌ها، مدل‌های معماری، و برخی اجزاء مختصر در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار گرفته است.

Selective Laser Sintering (SLS)

یکی از تکنیک‌ها برای چاپ سه بعدی انتخاب اسپری لیزری (SLS) است. در این فناوری، یک لیزر با دقت بالا بر روی لایه‌ای از پودر مواد مختلف (مانند پلیمرها یا فلزات) تابانده می‌شود. این لیزر باعث آبکاری و اتصال ذرات پودری به یکدیگر می‌شود و شیء سه بعدی را تشکیل می‌دهد. انواع مختلفی از روش‌های چاپ سه بعدی مورد استفاده در مقیاس ساختمانی وجود دارد که شامل روش‌های زیر است:
اکستروژن (بتن/ سیمان، فوم، موم، پلیمر): تکنیک چاپ اکستروژن همانند رسوب‌دهی Fused است. مدل‌سازی (FDM) با استفاده از اکسترود مواد سیمانی از یک نازل نصب شده روی یک جعبه برای چاپ یک لایه ساختاری توسط لایه طراحی می‌شود (سیا و سنجیان، ۲۰۱۶).
پیوند پودر (پیوند پلیمری، پیوند واکنشی، پخت): ساخت قطعات پلیمر بتنی برای چاپ سه بعدی (راشل و همکاران، ۲۰۱۱).
جوشکاری افزودنی (بنایی و جمالی، ۱۳۹۷).

تکنولوژی چاپگر سه بعدی (۳DP)

چاپگر سه بعدی در صنعت ساختمان یک دستگاه نوآورانه است که از تکنولوژی چاپ سه بعدی برای ساخت اجزا و سازه‌های معماری مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه‌ها توانایی ساخت اشیاء سه بعدی با استفاده از مواد مختلف را دارا هستند (ژائو و همکاران ، ۲۰۱۸). تکنولوژی چاپگر سه بعدی فرآیند تولید افزودنی را از ساختن قطعات کوچک صنعتی به ساختن ساختمان‌ها کاهش می‌دهد (ژانگ و همکاران، ۲۰۰۹).
هدف این تکنولوژی ساخت خانه‎های سفارشی در یک زمان کوتاه مدت است. تفاوت چاپگر سه بعدی و روش‌های دیگر در ابعاد است، پروژه‎هایی که با چاپگر سه بعدی ساخته می‌شوند دارای ابعاد بزرگتری هستند و محدودیت‌های اجرا نسبت به روش SLSو FDM کمتر است.

معرفی نمونه‌های موردی پروژه‌های ساختمانی اجرا شده با استفاده از تکنولوژی چاپگر سه بعدی

شرکت‌ها و دانشگاه‌های زیادی در زمینه چاپگر سه بعدی کار می‌کنند تا بتوانند به این فناوری جدید ارزش دهند و به تکامل نسبی برسانند. در این بین برخی از این مجموعه‌ها گامی فراتر از محیط آزمایشگاهی گذاشته‌اند و از این فناوری در صنعت ساخت‌وساز دنیا بهره برده‌اند. در ادامه این پژوهش به برخی از پروژه‌هایی که در ابعاد واقعی و با بهره‌مندی از تکنولوژی چاپگرهای سه بعدی ساخته شده‌اند پرداخته شده است. تا سال ٢٠١٩ رکورد جهانی بزرگترین سازه ساخته شده با چاپگر سه بعدی، توسط شرکت روسی (با ارتفاع ٩.۵ متر با مساحت ۶۴٠ مترمربع) و همچنین خانه اولین دفتر چاپ سه بعدی جهان و یک آزمایشگاه تحقیقاتی پهپادهای چاپگر سه بعدی بود؛ این پروژه در شهر دبی امارات متحده عربی احداث شده است. تمامی دیوارهای این پروژه با چاپگر سه بعدی چاپ شده است (شکل ۱).

خانه‌ای ٣٨ مترمربعی در شهر استوپینو روسیه که از بالا شبیه نماد طوفان در نقشه‌های آب و هوایی است. البته این یک شکل مناسب برای این خانه است زیرا خانه با سرعت طوفان ساخته شده است. این پروژه محصول همکاری بین دو شرکت است. هزینه کلی ساخت (هزینه ساخت و تجهیزات الکتریکی هوشمند) این خانه به ١٠١٣۴ دلار رسید که یعنی به ازای هر مترمربع ٢٧۵ دلار هزینه کرده‌اند. در حالی شرکت سازنده ادعا دارد که ساخت خانه‌ای سنتی و مربعی شکل با تجهیزاتی کمتر از این خانه حدود ٢٢٣ دلار برای هر مترمربع هزینه خواهد داشت (شاهکلانی و همکاران، ۱۴۰۱).
اولین خانه ساخته شده با چاپگر سه بعدی در آلمان با مساحت ١۶٠ مترمربعی در دو طبقه درشهر بکوم، شهری در ایالت نوردراین- وستفالن، درست در مجاورت هلند و بلژیک واقع شده است. این خانه اولین خانه چاپ سه بعدی است که به‌طور کامل تحت مقررات ملی ساختمانی دولت (آلمان) تأیید شده است. ساخت این پروژه در ١٧ سپتامبر ٢٠٢٠ شروع شده و در تابستان ٢٠٢١ جهت بهره‌برداری افتتاح گردیده است. شاید تا قبل از این خانه چندین خانه با چاپ سه بعدی در ایالات‌متحده ساخته شده باشد، اما طبق ادعای CNN، این خانه اولین خانه‌ای است که به‌طور رسمی به فروش رسیده است. این خانه که با شراکت شرکت‌های ”cobod” با “Habitat for Humanity Peninsula and Greater Williamsburg” و در مساحت ١٢٠٠ فوت مربعی در حدود ١٢ ساعت ساخته شده است که به‌طور قابل توجهی سریع‌تر از تکنیک‌های ساختمانی معمولی است (شاهکلانی و همکاران، ۱۴۰۱).

معایب

چاپ سه بعدی در صنعت ساخت‌وساز با مزایا و معایب خاصی همراه هستند. از یک سو، این تکنولوژی امکان نمونه‌سازی سریع، کاهش هزینه‌ها و انعطاف در طراحی سازه‌ها را فراهم می‌کند. از سوی دیگر، هزینه‌های بالای تجهیزات و مواد مصرفی، محدودیت‌های در اندازه و سرعت چاپ، و ضعف در مقابل برخوردها و فشارهای فیزیکی ممکن است مشکلاتی را برای استفاده از این تکنولوژی در صنعت ساخت‌وساز ایجاد کنند. بنابراین، انتخاب و استفاده از چاپگرهای سه بعدی در این صنعت نیازمند بررسی دقیق نیازها و محدودیت‌ها و تعادل میان مزایا و معایب است.

مزایای چاپ سه بعدی

چاپ سه بعدی در صنعت ساخت‌وساز نقش بسیار مهمی‌ایفا می‌کنند و مزایای متعددی را به این صنعت ترتیب می‌دهند. این تکنولوژی به معماران و مهندسان این امکان را می‌دهند که نمونه‌های پروتوتایپی از ساختارها و سازه‌ها را به‌سرعت تولید کرده و تغییرات لازم را در طراحی‌های خود اعمال کنند. این فرآیند توسعه محصول را تسهیل می‌کند و به کاهش زمان و هزینه‌های مرتبط با پروژه‌های ساخت‌وساز کمک می‌کند. همچنین، چاپگرهای سه بعدی به مهندسان امکان ساخت قطعات پیچیده و با جزئیات دقیق را با استفاده از مواد متنوعی اعم از پلاستیک‌ها، فلزات، و مواد ساختمانی فراهم می‌کنند. علاوه بر این، با کاهش هدر رفت مواد و بهره‌وری بیشتر از مواد مختلف، به مسائل محیط‌زیستی، کاهش زمان تولید و نیاز به حمل‌ونقل مواد از مناطق دوردست، کاهش آلودگی‌ها کمک می‌کنند؛ درنهایت، چاپگرهای سه بعدی نه تنها توانمندی‌های مهمی‌در بهبود کیفیت و کارایی ساخت‌وساز دارند، بلکه در راستای حفظ محیط‌زیست نیز نقش بسیار مؤثری ایفا می‌کنند.

نتیجه‌گیری

استفاده از چاپگر سه بعدی در صنعت ساختمان به عنوان یک تکنولوژی نوآورانه، به بهبود شرایط ساختمانی و حفظ محیط‌زیست کمک می‌کند. و با دقت بالا در تولید قطعات و اجزا، به کاهش تلفات مصالح ساختمانی و بهره‌وری منابع کمک می‌کند. همچنین با کمک این تکنولوژی و با بهبود عایق‌ها و سیستم‌های تهویه و تبرید در ساختمان‌ها، می‌توان به کاهش مصرف انرژی و بهبود کارآیی انرژی پرداخت. علاوه بر این چاپگرهای سه بعدی در صنعت ساختمان می‌توانند به توسعه سازه‌های مستدام و کم‌اثر به سلامت محیط‌زیست کمک کرده و نقش مهمی‌در ایجاد ساختمان‌های مدرن و پایدار ایفا کنند. علاوه بر این، امکان ساخت سازه‌های با طراحی‌های پیچیده و منحصربه‌فرد را فراهم می‌کند که با روش‌های ساخت معمولی دشوار یا غیرممکن است. در شرایط پر خطر و سخت محیطی از قبیل ساخت‌وساز در بیابان‌ها، یا در مواقع وقوع زلزله و بلایای طبیعی یا در شرایط جنگی و در محیط‌های آلوده به مواد شیمیایی که دسترسی انسان‌ها و حمل تجهیزات مشکل و خطرآفرین است، استفاده از چاپگرهای سه بعدی راه‌حل مطلوبی به نظر می‌رسد.