Logo
Logo

طراحی سایت و سئو توسط سرمد


بازگشت به بلاگ

کاربرد پرینت سه بعدی در ساخت و سازهای آینده



blog

چکیده

 در این مقاله تجربیات پیشرفته در مورد دستاوردهای فعلی در زمینه چاپ سه بعدی ساختمانها و اجزای ساختمانها ارائه شده است. فن آوری های چاپ سه بعدی، در مقایسه با تکنیک های سنتی ساخت ساختمان ها، می تواند به عنوان روشی دوستدار محیط زیست در نظر گرفته شود که امکانات نامحدودی برای اجرای پیچیدگی های هندسی در آن وجود دارد. فن آوری طراحی کانتور(Contour Crafting)   به عنوان یک تکنیک امیدوارکننده توصیف شده است که ممکن است در آینده نزدیک بتواند صنعت ساخت و ساز را متحول کند. از مزایای بی شمار این فناوری میتوان به کاهش هزینه ها و زمان، به حداقل رساندن آلودگی محیط و کاهش صدمات و تلفات در کارگاه های ساختمانی اشاره کرد. با وجود مزایا و امیدهای فراوان، این فناوری هنوز محدودیت های بسیاری دارد که در این مقاله به آنها نیز پرداخته می­شود.

مقدمه

اولین چاپگر سه بعدی در سال 1984 اختراع شد و طی دهه های اخیر، چاپ سه بعدی به یکی از سریع ترین فن آوری های در حال رشد تبدیل شده است. در ابتدای کار این فناوری بسیار پیچیده و گران قیمت بود. با گذشت سالها، چاپ سه بعدی در زندگی روزمره آغاز به کار کرد و چاپگرها در همه زمینه های صنعت مورد استفاده قرار گرفتند. در این سال ها دستاوردهای زیادی در صنعت پزشکی، خودرو یا صنعت هوافضا حاصل شده است. با وجود سیستم های منبع باز، نمونه سازی اولیه از محصول جدید و برنامه های نوآورانه از چاپ سه بعدی در زمینه های مختلف برای همه در دسترس قرار گرفته است. بهبود مواد چاپی و فناوری سه بعدی به هدف بسیاری از شرکت ها در سراسر جهان از همه بخش های صنعت تبدیل شده است. در سال 2014، با چاپ شدن اولین خانه فصل جدیدی در فناوری ساختمان آغاز شد و انقلابی در صنعت ساخت و ساز رخ داد. سوال اینجاست که آیا فناوری چاپ سه بعدی به اندازه کافی موثر است که بتواند از نمونه های آزمایشگاهی خارج شود و مورد استقبال صنعت ساختمان قرار گیرد؟ تا چه حد چاپ سه بعدی می تواند جایگزین فناوری های سنتی ساختمانی شود؟ مناطقی که برای اولین بار از این فناوری استفاده می شود کجا میتوانند باشند؟

فناوری و مواد چاپ سه بعدی

چاپ سه بعدی در سال 1983 متولد شد، زمانی که چارلز دبلیو هال ایده ای برای سخت کردن روکش های تبلت با اشعه UV به وجود آورد. این فکر ساده او را به سمت اختراع استریولیتوگرافی، اولین فناوری چاپ سه بعدی سوق داد. استریولیتوگرافی اولین فناوری نمونه سازی سریع است که به معنی تولید سریع، دقیق و تکرارعناصر با استفاده از رایانه است. اولین گام در ایجاد فناوری، اختراعات اضافی در رزین های مصنوعی بود که پس از روشن شدن رزین ها، باعث شروع روند پلیمریزاسیون می شدند. استریولیتوگرافی یک فناوری است که می تواند اشیاء با هندسه دقیق و بسیار پیچیده را بسازد و به همین دلیل در بسیاری از زمینه ها از جمله پزشکی، صنعت خودرو و هواپیما و حتی هنر و طراحی مورد استفاده قرار می گیرد. روش مشابه برای چاپ سه بعدی، روش (SLS) است که در آن از لیزر برای ذوب یک ذره پودری شکل به منظور ایجاد یک شی استفاده می شود. مواد استفاده شده در فناوری SLS معمولاً از استحکام و انعطاف پذیری بالایی برخوردار هستند. محبوب ترین آنها نایلون یا پلی استایرن است. مدل سازی رسوب ذوب شده (FDM) فن آوری است که در سال 1988 توسط اسکات کرامپ اختراع شد. مواد انعطاف پذیر که در طی فرآیند خنک شدن سخت می شوند، از طریق نازل دو سر بیرون می آید. مواد مدل سازی و پشتیبانی با توجه به لایه های سطح مقطع ریخته می شوند، که از مدل دیجیتالی چاپگر پشتیبانی می شود. نازل حاوی گرم کننده های مقاومتی است که رشته را در نقطه ذوب نگه می دارد که به آن اجازه می دهد تا به راحتی از طریق نازل جریان یابد. پس از ایجاد یک لایه ، سکو پایین آورده شده و لایه بعدی ایجاد می شود.

 

نمونه هایی از کاربرد چاپ سه بعدی در صنعت ساختمان

  • Canal House  در آمستردام

در سال 2014 شرکت طراحی هلندی Dus Architects تصمیم گرفت با چاپ قطعات توسط یک پرینترغول پیکر، خانه ای بسازد. در اروپا  این اولین پروژه ای است که کاملاً با فناوری چاپ سه بعدی تحقق یافت. پروژه بنام Canal House  با چاپ سه بعدی در آمستردام انجام شد و سه سال به طول انجامید. معماران می خواهند ثابت کنند که با چاپ اجزای خانه به طور مستقیم در سایت، آنها قادر خواهند بود به طور کامل زباله های ساختمانی را از بین برده و هزینه حمل و نقل را به حداقل برسانند. قابلیت جابجایی پرینتر به عنوان اصلی ترین مزیت در نظر گرفته می شود زیرا ممکن است هزینه حمل و نقل مواد و ذخیره آن در سایت ساختمان از بین برود.

اجزای خانه توسط یک پرینتر سه بعدی غول پیکر به نام KamerMaker چاپ شد. تکنیک چاپ بسیار شبیه به اکثر چاپگرها است. فرآیند در رایانه شروع می شود، جایی که در یک مدل برنامه سه بعدی مربوطه ایجاد و به فرمت مورد نظر تبدیل می شود. مواد ترموپلاستیک توسط چاپگر تا زمانی که به حالت مایع مناسب برسد گرم می شود، سپس می توان آن را توسط نازل چاپگر تنظیم کرد. پس از ایجاد یک لایه، یک لایه دیگر روی لایه قبلی ساخته می شود.  در این مرحله از فرآیند چالش برانگیزترین قسمت کار این است که پس از تمام شدن یک لایه توسط چاپگر ماده به اندازه کافی انعطاف پذیر باشد تا لایه های بعدی و قبلی به خوبی به هم پیوند داده شوند و به اندازه کافی سفت شوند.

 

  • ساختمانهای شرکت WinSun

شرکت مهندسی طراحی دکوراسیون WinSun یک شرکت چینی است که روی موادی شبیه به بتن کار می کند که برای استفاده در فناوری چاپ سه بعدی مناسب است. در سال 2014 آنها موفق به ساخت خانه هایی شده اند که به صورت سه بعدی چاپ شده است.

این فناوری مبتنی بر اجزای ساختمان است که به عنوان عناصر پیش ساخته چاپ شده و در یک سایت مونتاژ می شود. قطعات توسط پرینتر چاپ می شوند و دارای 6 متر ارتفاع ، 10 متر عرض و 40 متر طول هستند. پرینتر مواد (ملات) را به شکل لایه لایه از نازل خارج می کند. دیوارها دارای الگوی مورب تقویت شده با ساختار توخالی هستند که به عنوان لایه عایق عمل می کنند. قطعات در یک کارخانه چاپ می شوند و پس از چاپ، به محل ساختمان منتقل می شوند و برای ایجاد کل ساخت و ساز در کنار یکدیگر مونتاژ می شوند. پنجره ها و درها در دیوارهای ساختمان تعبیه شده اند. پس از نصب سقف، کار تکمیل و ساختمانها به پایان می­رسد. هزینه تخمینی هر ساختمان 4800 دلار است.

(سمت چپ) اولین خانه چاپ شده توسط یک شرکت WinSun در سال 2014. (سمت راست) ساختمان پنج طبقه که به صورت سه بعدی چاپ شده است.

  • طراحی کانتور در محل (In-situ Contour Crafting)

امیدوار کننده ترین فناوری چاپ سه بعدی که در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار می گیرد، فناوری Contour Crafting (CC)  یا طراحی کانتور در محل نام دارد. در این فن آوری، مواد به تدریج به شکل لایه لایه ریخته می شوند، و کل فرآیند در سایت انجام می شود. این تکنیک با استفاده از چاپگر سه بعدی که قادر به چاپ یک خانه کامل به طور مستقیم در سایت است، فرصتی عالی برای اتوماسیون فرایند ساخت و ساز دارد. مهمترین مزیت این است که فرایندی که بیشتر توسط دستگاه انجام می شود، ایمن تر خواهد بود و استفاده از مواد مناسب و پارامترهای مناسب چاپگر، باعث کاهش هزینه و زمان آن می شود. چاپ سه بعدی همچنین امکان ایجاد اجزای بزرگ با انعطاف پذیری نامحدود معماری و بالاترین دقت را ایجاد می کند. ایده مخترع ایجاد یک چاپگر است، که یک یا چند نازل داشته باشد که بر روی دو خط موازی نصب شده اند و به اندازه چند متری بیشتر از عرض ساختمان از یکدیگر فاصله دارند. قسمت بعدی این فرآیند همانند فن آوری های قبلی است. مواد از طریق نازل خارج شده و به شکل بلوک های خالی گذاشته می شوند و از الگوی متقاطع داخل آن برای اطمینان از سختی و استحکام مطلوب استفاده می شود.

اولین ساختمان چاپ شده در محل در باغ Andy Rudenko

کلام آخر

فناوری چاپ سه بعدی هنوز جوان است و محدودیت های زیادی را نشان می دهد، اما انتظارات و امیدهای زیادی برای آینده ساختمانهای چاپی سه بعدی و چاپ اجزای ساختمان وجود دارد. برنامه های کاربردی متنوع از پرینترهای سه بعدی و تولید مواد رشته ای جدید به سرعت در حال پیشرفت است.

روش طراحی کانتور که اجازه چاپ ساختمان را در محل میدهد، ممکن است به روش های جدید معماری در طراحی ساختمان نیاز داشته باشد. این تکنیک به تولید مواد جدید مناسب برای فرآیند چاپ سه بعدی نیاز دارد. همچنین با در نظر گرفتن مسائل مربوط به پایداری، موادی ساخته شده از ترکیبات بتونی سنتی با مواد سازگار با محیط زیست جایگزین می شوند.

ایجاد ساختمانهایی با اشکال پیچیده، ممکن است به یکی از بزرگترین مزایا برای بیشتر معماران تبدیل شود. تخیل آنها قادر به برطرف کردن موانع قبلی مربوط به محدودیت تکنیک های سنتی ساخت و ساز خواهد بود. چاپ سه بعدی ممکن است معماری امروزی را دگرگون کند. با این وجود این تکنیک باید با در نظر گرفتن موضوعات پایداری هم برای انتخاب مواد و هم برای ساخت و ساز توسعه یابد.

مزایای بی شماری از توسعه فناوری سه بعدی در ساخت و ساز وجود دارد و به عنوان مهمترین آنها می تواند به موارد زیر اشاره کرد:

  • هزینه کمتر - هزینه چاپ عناصر ساختمانی خانه ها بسیار پایین تر از روش های سنتی ساخت و ساز است. همچنین حمل و نقل و ذخیره سازی مواد در سایت ها محدود است.
  • فرآیندهای ساخت و ساز سازگار با محیط زیست و استفاده از مواد اولیه با انرژی کم ( مانند زباله های صنعتی و ساختمانی)
  • کاهش تعداد صدمات و تلفات در محل، زیرا چاپگرها می توانند کارهای خطرناک را انجام دهند.
  • فرآیندهای ساخت و ساز مرطوب به حداقل می رسد، به طوری که فرآیند نصب ساختمان در مقایسه با روش های سنتی ضایعات و گرد و غبار کمتری ایجاد می کند.
  • صرفه جویی در وقت - زمان لازم برای تکمیل ساختمان می تواند به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

با وجود این مزایا، نگرانی های زیادی وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد. یکی از موضوعات مهم این است که آیا توسعه فناوری چاپ سه بعدی ممکن است باعث از بین رفتن شغل هزاران کارگر واجد شرایط شود؟

هنوز تصور کردن این که چاپ سه بعدی می تواند جایگزین ساخت و ساز سنتی در چند سال آینده شود دشوار است. این امکان وجود دارد که هر دو فناوری در صنعت حضور داشته باشند. ممکن است چاپ سه بعدی همراه با تکنیک های سنتی توسعه یابد و از آنها پشتیبانی کند، خصوصاً در مورد پروژه های پیشرفته ساختمانی.