پرینت سه بعدی در ساخت و ساز ؛ تحولی عظیم در آینده این صنعت

اختصاصی مرکز ساخت و خدمات پرینت سه بعدی اینوفب: پرینت سه بعدی در ساخت و ساز می‌تواند به عنوان روشی هوشمندانه برای پاسخ به بحران مسکن و یا حتی چالش زیستگاه در فضا، مورد استفاده قرار گیرد. این تکنولوژی مزایای بی‌شماری چون افزایش سرعت تولید، کاهش مواد مصرفی، از بین رفتن خطرات سوانح انسانی، امکان اجرای هندسه‌های پیچیده و …، را برای متخصصان این صنعت به ارمغان می‌آورد. از این رو ما در این مقاله به بررسی فرآیند و مزایای پرینت سه بعدی در ساخت و ساز خواهیم پرداخت.

جایگاه پرینت سه بعدی در ساخت و ساز

در سال 2004  میلادی، پروفسور بهرخ خوشنویس از دانشگاه کارولینای جنوبی، اولین دیوار پرینت سه بعدی را اجرا کرد. از آن زمان، این نوآوری متحول شده است و اکنون می‌توان یک خانه را تنها در 20 ساعت ساخت! این پروفسور یک پرینتر سه بعدی FDM را توسعه داد که بر روی یک بازوی روباتیک نصب شده بود که به جای پلاستیک، لایه‌های بتنی را برای ایجاد یک مدل سه بعدی اکسترود می‌کند.

این فناوری Contour Crafting تمام ویژگی‌های مورد نیاز برای استفاده از ساخت افزودنی در سایت‌های ساختمانی را نشان می‌دهد؛ اعم از کاهش هزینه‌ها و ضایعات، افزایش سرعت ساخت‌وساز، کاهش تصادفات، امکان اجرای اشکال پیچیده معماری و … . کشف او سرآغاز تحول تکنولوژی پرینت سه بعدی در ساخت و ساز بود. با این حال، این تکنولوژی در صنعت ساخت و ساز نسبت به سایر صنایع مانند هوانوردی یا پزشکی بسیار کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پیشگامان و سازندگان مطرح حوزه معماری به سرعت به پتانسیل فناور‌ی پرینت سه بعدی در ساخت و ساز و تأثیر فناوری بر آینده این صنعت پی بردند. انتظار می‌رفت بازار پرینت سه بعدی در ساخت و ساز و بتن‌ریزی با این روش، در سال 2021 میلادی به 56.4 میلیون دلار برسد. رفته رفته شرکت‌های بیشتری برای ایجاد پروژه‌های جدید و نوآورانه در این بخش سرمایه‌گذاری می‌کنند. برخی از آنها آینده‌نگرتر هستند، برخی در زمان حال از این تکنولوژی بهره می‌برند؛ مانند پروژه ساخت خانه پرینت سه بعدی Apis Cor در 24 ساعت. پرینت سه بعدی بتن به سرعت در حال توسعه است و با تکیه بر فناور‌ی‌ها و مواد مختلف، مزایای زیادی را به کاربران خود ارائه می‌دهد. با این حال، این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود است و محدود به شرایط فعلی است.

فرآیندهای پرینت سه بعدی در ساخت و ساز

اجرا و پرینت سه بعدی در صنعت ساخت و ساز، تحت عملیات مختلفی صورت می‌گیرد؛ اعم از بتن‌ریزی توسط بازوی رباتیک، اتصال لایه‌های شن و ماسه و … . در ادامه به بررسی این موارد می‌پردازیم.

اکسترودر بازوی رباتیک

روش Contour Crafting شامل مصالح ساختمانی است که برای ایجاد یک مدل سه بعدی در مقیاس بزرگ با سطح صاف قرار می‌گیرد. ریل‌هایی در اطراف زمین ساختمان نصب می‌شوند که به عنوان سازه‌ای برای هدایت بازوی رباتیک عمل می‌کنند. برای انجام عملیات اکسترود، بازوی رباتیک دستگاه پرینتر به جلو و عقب حرکت می‌کند و بتن لایه به لایه پرینت می‌شود. ماله‌هایی در کنار و بالای نازل قرار می‌گیرند تا لایه‌های اکسترود شده را صاف کرده و از استحکام مدل اطمینان حاصل کنند.

در این فرآیند، بتن معمولی را نمی‌توان استفاده کرد، زیرا قبل از ادامه فرآیند، باید سخت شود. بنابراین پرینت سه بعدی در ساخت و ساز توسط بتن با خاصیت گیرش سریع مورد استفاده قرار می‌گیرد.

Contour Crafting  (شرکتی با نام همان روش)، در مورد پیشرفت خود بسیار محتاطانه عمل می‌کند. شرکت ساختمانی چینی  WinSun Decoration Engineering Co  توصیف می‌کند که قابلیت “پیش‌روی و سبقت از سایرین” را دارد. این ماشین‌ها بزرگ هستند (32 متر طول، 10 متر عرض و 6.6 متر ارتفاع)؛ این ویژگی، فرصت پرینت سه بعدی ساختارهای کامل را در اختیار آن‌ها قرار می‌دهد. این کار از طریق مخلوط کردن الیاف بتن و شیشه در محل و سپس پرینت انجام می‌شود. این شاهکار باعث شد تا سازندگان و کارگران ساختمانی از روش تولید مواد افزودنی آگاه شوند.

Constructions-3D یک شرکت رقیب است که همچنین در تلاش است تا ساختمان های بتنی بزرگ را با استفاده از فناوری پرینت سه بعدی اجرا کند.

شرکت‌های رقیب

رقبای مختلف حوزه ساخت و ساز توسط فناوری‌های مختلف، ماشین‌هایی را برای پرینت سه بعدی بتن توسعه داده‌اند. شرکت فرانسوی Constructions-3D  یک پرینتر سه بعدی قطبی ساخته است که در داخل محل ساخت و ساز پرینت می‌کند و پس از اتمام ساخت و ساز از درب ورودی ساختمان خارج می‌شود. این پرینتر شامل یک پایه مکانیکی و بازوی روباتیک با یک نازل برای اکسترود کردن مواد در انتهای آن است. این بازو قابلیت پرینت مساحتی بیش از 250 متر مربع و ارتفاع بیش از 8 متر را ارائه می‌دهد.

ربات Cazza Construction هم مشابه این دستگاه می‌باشد و شامل یک سیستم جرثقیل متحرک است که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا منطقه بسیار وسیع‌تری را پرینت سه بعدی کنند و ساختارهای بزرگ‌تر و بلندتری ایجاد کنند. این قابلیت در عملیات پرینت سال‌های گذشته از شرکت‌هایی مانند Apis Cor و XtreeE نشان داده شده است که به سرعت کل خانه‌ها را ایجاد می‌کنند.

شرکت‌های دیگر در اکسترود کردن مواد و مصالحی غیر از بتن با این فناوری تخصص دارند. فرآیند ثبت اختراع BatiPrint 3D، یک مثال قابل توجه است؛ هدف این شرکت فرانسوی، پرینت سه بعدی سازه‌های بزرگ است.

دانشگاه نانت، Bouygues Construction  و Lafarge Holcim برای توسعه یک ربات صنعتی که 3 لایه ماده را به طور همزمان پرینت می‌کند، نیروهای خود را متحد کردند. دو تا از این لایه‌ها، با استفاده از فوم پلیمری تشکیل یافتند و لایه سوم توسط بتن پرینت شد. Benoit Furet، استاد دانشگاه نانت توضیح می‌دهد: «فوم، عایق‌سازی داخلی و خارجی را به ارمغان می‌آورد و بتن‌ریزی سبب تقویت سازه باربر ضد لرزه می‌شود. “

اتصال لایه‌های شن و ماسه

معمار ایتالیایی، انریکو دینی، برای اولین بار به عنوان «مردی که خانه‌ها را پرینت سه بعدی می‌کند» شناخته شد. اخیراً، او یک فرآیند پرینت سه بعدی جالب را توسط دستگاه پرینتر سه بعدی «D-Shape» خود نشان داد. این دستگاه به اتصال پودر متکی است و امکان جامد شدن لایه‌ای از مواد را با یک چسب می‌دهد. لایه‌های ماسه با توجه به ضخامت مورد نظر، توسط این دستگاه رسوب می‌شود؛ این عملیات قبل از اینکه هد پرینتر، قطرات (صحاف‌کننده) را برای سفت شدن شن بریزد، انجام می‌شود. این دستگاه 4*4 متری می‌تواند سازه‌های بزرگ تا 6 متر مکعب ایجاد کند.

کاربرد فلز برای سازه‌های جامد

شرکت هلندی MX3D ، یک روش ساخت منحصر به فرد به نام WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) ابداع کرده است که به شما امکان می‌دهد سازه های فلزی را با یک ربات 6 محوره پرینت سه بعدی کنید. این شرکت، یکی از تعدادی استارت آپ نوآورانه در زمینه پرینت سه بعدی در ساخت و ساز خانه است. با استفاده از این روش پرینت سه بعدی در ساخت و ساز با قابلیت چاپ 2 کیلوگرم مواد در هر ساعت امکان‌پذیر است.

این ربات حاصل همکاری Air Liquide و ArcelorMittal بوده و مجهز به جوشکار و نازل برای جوشکاری لایه به لایه میله‌های فلزی است. این فرآیند با سایر فلزات مانند فولاد ضد زنگ، برنز، آلومینیوم و اینکونل نیز سازگار است. این دستگاه را می‌توان به نوعی آهن لحیم‌کاری غول پیکر تشبیه کرد. این تیم اظهار داشت که “ما یک ربات صنعتی را با یک دستگاه جوش ترکیب کردیم تا آن را به یک پرینتر سه بعدی تبدیل کنیم که با نرم‌افزار خودمان کار می‌کند”.

اگرچه این پروژه‌ها توسط استارت‌آپ‌ها مفهوم‌سازی شده‌اند، اما اغلب نیاز به حمایت شرکت‌های بزرگ‌تر صنعت ساخت‌وساز دارند. گروه Royal BAM  با دانشگاه فناوری آیندهوون برای طراحی یک پل بتنی پرینت سه بعدی برای دوچرخه سواران همکاری کرد. همچنین، Bouygues Construction برای ساخت خانه‌هایی در لیل فرانسه به پرینت سه بعدی روی آورد. علاوه بر این، Vinci Construction  با استارتاپ فرانسوی XtreeE برای آزمایش ساخت سازه‌های پیچیده شریک شد و گروه سوئدی Skanska اخیراً با دانشگاه Loughborough برای توسعه فرآیند پرینت سه بعدی در ساخت و ساز با استفاده از بتن همکاری کرد.

چرا از پرینت سه بعدی در ساخت و ساز استفاده کنیم؟

اولاً، بتن‌ریزی و پرینت سه بعدی در ساخت و ساز، باعث صرفه جویی در زمان زیادی می‌شود. به طور خاص، استفاده از این فناور‌ی‌ها به طور بالقوه یک کار 2 هفته‌ای را به 3-4 روز کاهش می‌دهد. همچنین این فناوری، خطر آسیب در محل کار را کاهش می‌دهد.  Benoit Furet  از دانشگاه نانت این گونه توضیح می‌دهد: “کاهش سختی‌ها و خطرات یک واقعیت غیر قابل انکار فناوری پرینت سه بعدی در ساخت و ساز است؛ ما پرتوهایی به ارتفاع 3.8 متر را بدون هیچ داربستی ایجاد کردیم. علاوه بر این، محل ساخت و ساز بسیار آرام است”.

تیم او موفق شد خانه ای به مساحت 95 متر مربع را به صورت سه بعدی، پرینت کند و اولین خانه اجتماعی پرینت سه بعدی را در شهر بسازد. Benoit  می‌گوید که فناوری BatiPrint آن‌ها ایجاد اشکال منحنی را با هزینه کمتر آسان‌تر کرده است. علاوه بر این، از آنجایی که پرینترهای سه بعدی نیازی به خوردن یا خوابیدن ندارند، تا زمانی که پروژه به پایان برسد، کار خود را متوقف نمی‌کنند. این امر زمان انتظار را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.

مزایای پرینت سه بعدی در ساخت و ساز

از نظر استفاده از مواد و مصالح، کاربرد پرینت سه بعدی در ساخت و ساز روشی مقرون به صرفه است. با استفاده از فرآیندهای افزودنی به جای کاستنی در ساخت و ساز، مواد کمتری نسبت به فرآیندهای تولید سنتی استفاده می‌شود. این امر اثرات زیست محیطی را کاهش می‌دهد؛ زیرا زباله کمتری تولید می‌شود. رومن دوباله، یکی از بنیانگذاران XtreeE، چنین بیان می‌کند: «با تسلط بیشتر بر هندسه، می‌توانیم شکل‌های بهینه‌سازی شده‌ای برای محدود کردن میزان مواد مصرفی بسازیم».

با این حال، هنوز اخطارهایی در مورد رویای خانه‌های پرینت سه بعدی، پل‌ها و آسمان‌خراش‌ها وجود دارد. Axel Thèry of Constructions-3D  این‌طور بیان می‌کند: «مشکلات اصلی از این واقعیت ناشی می‌شود که فرآیند پرینت سه‌بعدی در ساخت و ساز، امروزه به‌عنوان یک روش توسط بسیاری از سازمان‌های اصلی و استانداردهای مرجع شناخته نشده است». از آنجایی که سازه‌های پرینتی سنتی نیستند، محاسبات مقاومت و مقابله در برابر شرایط زمانی دشوار است؛ به همین دلیل است که آثار قابل سکونت باید در ابتدا مورد به مورد آزمایش شوند. این نهادهای استاندارد نگران هستند که آیا این سازه‌ها واقعاً محکم هستند و آیا می‌توانند در برابر محیط مقاومت کنند.

پرینت سه بعدی در ساخت و ساز خانه؛ راه حلی برای بحران مسکن؟

از آنجایی که پرینت سه بعدی اکنون اجازه می‌دهد سازه‌ها با سرعت بیشتری ساخته شوند، برای مبارزه با بحران مسکن ایده آل است. در نتیجه برخی از شرکت‌ها به سمت روش تولید مواد افزودنی گرایش دارند. شرکت ایتالیایی WASP قصد دارد دنیایی پایدارتر از طریق کاربرد پرینت سه بعدی در ساخت و ساز بسازد. این شرکت، یکی از بزرگترین پرینترهای سه بعدی جهان را توسعه داده که قادر به ساخت خانه‌ها از مواد محلی با استفاده از انرژی خورشیدی، بادی یا برق آبی است. این تکنولوژی امکان ساخت سازه‌های سازگار با محیط زیست توسط منابع محلی را در اختیار ساکنان مناطقی که هنوز به برق دسترسی ندارند، می‌گذارد.

به طور مشابه در برزیل، Anielle Guedes Urban3D  برای پاسخ به بحران مسکن برزیل تأسیس شد. شرکت او بخش‌هایی از ساختمان‌ها را قبل از مونتاژ در محل، در یک کارخانه اختصاصی پرینت می‌کند. این ویژگی، شرکت را مجهز به قابلیت ساخت ساختمان‌های مرتفعی می‌سازد که در صورت اجرای پرینت سه بعدی در محل امکان‌پذیر نبود. در حال حاضر این شرکت، در حال آزمایش چندین نمونه اولیه است و امیدوار است بتواند راه حلی برای توسعه حلبی‌آبادهای برزیل ارائه دهد.

شرکت روسی Apis Cor نیز از تأثیر مثبتی که کاربرد پرینت سه بعدی در ساخت و ساز می‌تواند بر مسکن داشته باشد، آگاه است. مؤسس و مدیرعامل نیکیتا چن-یون تای، در این مورد چنین توضیح می‌دهد: «ما معتقدیم که روش تولید مواد افزودنی، راه حلی مؤثر در برابر بحران مسکن است و به همین دلیل است که پروژه خود را توسعه داده‌ایم. امیدواریم تا چند سال دیگر این رویکرد به طور کامل در نقاط مختلف جهان آزمایش شود تا امکان‌پذیری آن به اثبات برسد. ما معتقدیم که شرکت‌های ساختمانی بیشتر و بیشتری از این فناوری استفاده خواهند کرد، همانطور که امروزه  هم شاهد کاربرد پرینت سه بعدی در ساخت و ساز هستیم».

پرینت سه بعدی در فضا؟

روش تولید افزودنی همچنین می‌تواند راهی عالی برای کشف فضا در اختیار بشریت بگذارد. ناسا “چالش زیستگاه پرینت سه بعدی” را راه‌اندازی کرده است که به بررسی فناور‌ی‌های مورد استفاده برای ساخت خانه‌ها در فضا، مانند ماه یا مریخ می‌پردازد. اگرچه این ایده، بلندپروازانه است، اما هنوز خیلی زود است که بگوییم پرینت سه بعدی راه حل مناسبی است یا خیر.

 با این حال، می‌توان گفت که پرینت سه بعدی در ساخت و ساز به یک نیروی جهانی بسیار واقعی تبدیل می‌شود. انتشارات اسمارتک اخیراً گزارشی منتشر کرده است که درآمدهای جهانی در این بخش را در سال 2027 میلادی، 40 میلیارد دلار پیش بینی می‌کند. افزایش از چند میلیون دلار به 40 میلیارد دلار در 10 سال شگفت انگیز است. بنابراین، باید ببینیم که جهان در آینده چه واکنشی به این فناوری پرینت سه بعدی در ساخت و ساز نشان خواهد داد.

مقالات پیشنهادی:

هزینه پرینت سه بعدی

سفارش پرینت سه بعدی

پرینت سه بعدی زیره و کفش

ماکت زیره کفش

منبع:  3dnatives