کاربرد پرینترهای سه بعدی در صنعت ساختمان!

مقدمه

امروزه در صنعت ساختمان‌سازی از روش‌های گوناگونی برای ایجاد قطعات و دیگر اقلام مورد نیاز این صنعت و سایر صنایع استفاده می‌شود. در این مطلب از ژئو مارس سعی داریم تا با معرفی برخی از این روش‌ها، مزایای استفاده از پرینتر سه بعدی نسبت به سایر روش‌ها را برای شما بیان کنیم.

تولید کاهشی و افزایشی چیست؟

تاکنون برای ساخت قطعات از روش‌های مختلفی همچون تراشکاری و فرزکاری استفاده شده است. به این صورت که ابتدا یک جسم از جنس موردنظر در اختیار بوده و با تراشیدن و کم‌کردن مواد اولیه، قطعه موردنظر حاصل شده است. به این روش‌ها که روشی سنتی هستند تولید کاهشی (TM) گفته می‌شود. به دلیل معایبی که این روش‌ها دارند از جمله تولید قالب، استفاده از دستگاه‌های غول‌پیکر، نیاز به نیروی انسانی و… روش‌های جدیدی برای تولید قطعات ابداع شده است که به تولید افزایشی (AM) معروف است. این روش‌ها که به نام پرینت سه بعدی نیز شناخته می‌شوند با اضافه کردن مواد به‌صورت لایه به لایه به یکدیگر، شیء را تولید می‌کنند. در این روش‌ها ابتدا شیء موردنظر با طراحی و مدل‌سازی سه بعدی به کمک نرم‌افزارهایی همچون Solidworks و Catia در فایل CAD ذخیره می‌شوند. همچنین می‌توان برای دستیابی به مدل سه بعدی قطعه موردنظر، از اسکنرهای سه بعدی نیز استفاده کرد.

پس از طراحی و یا اسکن قطعه، مدل با فرمت stl ذخیره شده و به نرم‌افزارهای مخصوص پرینتر سه بعدی مانند Repetier Host، simplify و… داده می‌شود. این نرم‌افزارها مدل نهایی را به صدها و هزاران لایه افقی برش می‌دهند. دستگاه پرینتر هر برش دو بعدی را خوانده و شروع به تولید آن می‌کند و پس از آن سراغ لایه بعدی می­رود. تکرار این روند باعث تولید شی نهایی می‌شود.

در این روش‌ها لایه چینی با استفاده از سر چاپ، نازل، یا یک تکنولوژی چاپگر دیگر قابل انجام است. از این روش ابتدا برای تولید نمونه اولیه استفاده شده است. ولی به‌مرور زمان برای تولید انبوه قطعات مورد استفاده قرار گرفته است.

تاریخچه

اولین تکنولوژی پرینت سه بعدی در سال 1980 میلادی مشاهده شد. دکتر کوداما ژاپنی اولین‌بار این تکنولوژی را به نام خود ثبت کرد. در آن زمان این تکنولوژی نمونه‌سازی سریع خوانده شد. این نام‌گذاری به این دلیل بود که این فناوری در واقع برای ساخت سریع و کم‌هزینه نمونه اولیه برای یک تولید انبوه طراحی شده بود.

سپس دکتر هال در سال 1986 میلادی دستگاه استریولیتوگرافی را به نام خود ثبت کرد. البته دکتر هال دستگاه خود را در سال 1983 اختراع کرده بود و در این مدت در حال تأسیس شرکتی بود که در آن زمان به نام RP Systems شناخته می‌شد و هم اکنون نیز یکی از بزرگ‌ترین فعالان حوزه پرینت سه بعدی است. در آنجا بود که اولین نمونه این دستگاه را با نام SLA-1 ساخت و در سال 1987 میلادی آن را معرفی کرد و در سال 1988 به اولین آزمون موفق دست پیدا کرد.

در آن زمان کارل دکارد که در دانشگاه تگزاس مشغول بود، در سال 1987 فرایند نمونه‌سازی سریع با پخت لیزری انتخابی را به نام خود ثبت کرد. این ثبت اختراع در سال 1989 میلادی صادر شد و بعد از آن مجوزش به DTM Inc داده شد که بعداً توسط شرکت  3D خریداری شد.

در سال 1989 میلادی اسکات کرامپ، یکی از مؤسسان Stratasys Inc، ثبت اختراع دستگاه مدل‌سازی لایه‌ای مذاب (FDM) را اعلام کرد و آن را به این کمپانی اختصاص داد. این فناوری هم اکنون به‌صورت مدل متن‌باز Rep-Rap بسیار فعال است.

مواردی که در بالا به آن اشاره شد بخشی از مهم‌ترین فعالیت‌ها در حوزه پرینت سه بعدی بود که هم اکنون این فناوری را به مکانی که هست رسانده است. به‌غیراز موارد بالا اتفاقات دیگری نیز در این حوزه رخ داده است، مانند ساخت اولین پرینتر رومیزی، اولین پرینتر ارزان‌قیمت، مداد سه بعدی و غیره

مزایا و معایب تولید افزایشی

تولید افزایشی قطعات مانند هر پدیده دیگری مزایا و معایبی دارد که با هم برخی از آنها را مرور می‌کنیم.

مزایای تولید افزایشی

پرینت سه بعدی یک فناوری توانمند در تولید ساختارهای پیچیده است و به طراحان آزادی طراحی بی‌سابقه‌ای می‌دهد و این در حالی است که این فرایند نیاز به ابزار کمتری نسبت به فرایند سنتی دارد و در نتیجه باعث کاهش هزینه‌های سنگین می‌شود. لذا انعطاف و آزادی در طراحی، تبدیل سریع ایده­های طراحی به نمونه اولیه (نمونه سازی سریع)، سفارشی سازی انبوه و کاهش قابل توجه ضایعات از مزیت­­های این تکنولوژی می­باشد. این فناوری همچنین به عنوان یک تکنولوژی با مصرف بهینه انرژی ظهور کرده‌است و همچنین هیچگونه آلودگی برای محیط زیست ندارد. با استفاده از مواد استاندارد، طول عمر قطعات بیشتر می‌شود، وزن آن‌ها کاهش می‌یابد و در عین حال استحکام بالا می‌رود. در سال‌های اخیر، فناوری پرینت سه بعدی از نمونه سازی سریع و فرایند تولید صنعتی فراتر رفته و به کمپانی‌های کوچک و حتی فعالیت‌های شخصی نیز راه پیدا کرده‌است.

ابتدا تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی سیستم‌های بسیار گرانی بودند که برای تولید قطعات پیچیده با مهندسی بالا طراحی شده بودند. این امر امروزه همچنان ادامه دارد و در حال رشد است. تکنولوژی پرینت سه بعدی از سوی برخی افراد به عنوان دومین، سومین و یا حتی چهارمین انقلاب صنعتی وعده داده شده است.

به هر حال آنچه را که نمی‌توان انکار کرد تأثیری است که پرینت سه بعدی بر روی بخش صنعتی دارد و پتانسیل عظیمی که این تکنولوژی برای آینده مصرف‌کنندگان نشان می‌دهد.

معایب تولید افزایشی

عوامل مختلفی در حین ساخت با دستگاه‌های پرینتر سه بعدی باعث معایبی در قطعه‌های تولیدی می‌شود. از جمله این عوامل می‌توان به خالی بودن اکسترودر در ابتدای کار، فاصله نامناسب نازل تا صفحه پرینت، نچسبیدن لایه اول به صفحه، تراز نبودن صفحه، سرعت بالا، دمای نامناسب، خارج‌شدن بیش از حد مواد از اکسترودر و شکاف یا جدا شدن لایه‌ها از یکدیگر اشاره کرد. این معایب گاهی اوقات باعث کاهش استحکام و خواص مکانیکی قطعه می‌شود. علاوه بر این به دلیل اینکه قطعات ساخته شده به روش تولید افزایشی به صورت لایه، لایه هستند اغلب از صافی سطح خوبی برخوردار نیستند و نیاز به پس‌پردازش دارند. سرعت چاپ از عوامل مهم در کیفیت قطعات تولید شده به این روش است لذا زمان زیادی برای ساخت قطعات به روش تولید افزایشی نیاز است که باعث افزایش هزینه می‌شود.

کاربردهای پرینتر سه بعدی

پرینتر‌های سه بعدی توانایی تولید هر نوع قطعه‌ای با هندسه دلخواه را دارد. این نیاز در همه‌جا قابل‌لمس است. امروزه در صنعت خودروسازی، طراحان به‌منظور کاهش وزن قطعات در عین حفظ و یا حتی افزایش استحکام و عمر آن‌ها از روش‌های بهینه‌سازی شکل یا توپولوژی استفاده می‌کنند که خروجی آن معمولاً به هندسه‌های پیچیده ختم می‌شود. برای ساخت چنین هندسه پیچیده‌ای، روش‌های ساخت همچون ریخته‌گری و آهنگری، قادر به ساخت قطعه نیستند و لذا باید از روش‌های تولید افزایشی استفاده نمود.

همچنین در صنعت پزشکی از پرینترهای سه بعدی به‌منظور ساخت بسترهایی برای رشد بافت‌های بدن استفاده می‌شود.

امروزه از قطعات پلیمری تولید شده به روش پرینتر سه بعدی برای تولید قالب‌های ریخته‌گری نیز استفاده می‌شود. به‌طورکلی پرینتر سه بعدی در هر کاری که نیاز به شبیه‌سازی، تولید ماکت و ساخت طرح اولیه دارد کاربرد دارد. پرینتر سه بعدی، هم می‌تواند پروسه زمان‌بر شبیه‌سازی و ساخت ماکت قطعات را تسریع بخشد و هم تنها با پرینت گرفتن طرح سه بعدی در زمانی بسیار کم، به بررسی قطعه بپردازد.

مواد قابل پرینت

تولید افزایشی توانایی چاپ مواد مختلفی از جمله گچ، شن و فلزاتی که می‌توانند به صورت پودر تهیه شوند مانند فولاد ضدزنگ، فولاد ابزار، کبالت، آلومینیوم، مس، تیتانیوم و نیکل را داراست. همچنین انواع گرمانرم‌های مختلف از جمله آکریلونیترول بوتادین استایرن (ABS)، پلی‌آمید، پلی‌کربنات، پلی پروپیلن، پلی لاکتیک اسید (PLA) می­باشد. علاوه‌برآن سرامیک، پلیمرهای مایع و واکس ذوب شده در این فرایندها قابل‌استفاده است. آلیاژهای فلزی نیز مانند آلیاژهای مختلف از جمله آلومینیوم، کروم کبالت، فولاد مارانگینگ، نیکل، فولاد ضدزنگ، تیتانیوم، کروم کبالت، نارونل، آلومینیوم، برنز و نیکل، کاربرد وسیعی در پرینترهای سه بعدی دارند. کامپوزیت‌های پلیمری، سرامیک و بتن از مواد مصرفی در دستگاه­های پرینتر سه بعدی می‌باشند.

پرینتر صنعتی چیست؟

اگرچه پرینتر سه­بعدی صنعتی در حال حاضر برای مدتی وجود دارد و در حال حاضر به طور کامل رشد کرده است، اما همچنان جز روش­های نسبتاً جدید به شمار می­آید. این پرینترها صنعتی مانند پرینترهای معمولی است. با این حال خصوصیاتی، این نوع پرینترها را از یکدیگر متمایز می­کند. از جمله ویژگی­های پرینترهای صنعتی می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • ابعاد بزرگ دستگاه برای چاپ قطعات بزرگ یا چاپ ده­ها قطعه کوچک­تر در کنار هم و در یک‌زمان.
  • دمای بالاتر اکسترودر تا حدود 350 درجه سانتیگراد برای چاپ قابل‌اطمینان فیلامنت­های مهندسی مانند PEEK ، Ultem و پلیمرهای تزریق شده با فیبر کربن.
  • محفظه گرمایش که می­تواند دمای ثابت (حداقل 80 درجه سانتیگراد) را برای مدت طولانی نگه دارد تا از پیچ­خوردگی یا ترک­خوردگی قطعات جلوگیری شود. همچنین به دلیل بزرگ بودن قطعات پرینت، دمای آخرین لایه پرینت شده در حدی بالا باقی می­ماند که پرینتر فرصت کافی برای دور زدن در قطعه را داشته باشد و هنگامی ک مجدداً به آخرین لایه پرینت گرفته شده برگردد دمای این لایه به حدی بالا است که چسبندگی لازم برای لایه جدید را ایجاد کند.
  • پرینترهای صنعتی برای تکرارپذیری و قابلیت اطمینان بیشتر طراحی شده­اند. به این منظور پارامترهای پرینتر در هنگام چاپ دائماً نمایش داده می­شود.
  • این نوع پرینترها بر اساس طراحی خود به کالیبراسیون دستی کمتری نیاز پیدا می­کنند.

علاوه بر موارد بیان شده نکاتی درباره پرینترهای صنعتی وجود دارد. از جمله می­توان به مدت‌زمان لازم برای گرم‌شدن صفحه پرینت قبل از شروع چاپ، مدت‌زمان خنک شدن قطعه پس از چاپ، رابط کاربری آسان، استفاده از فیلترهایی به‌منظور کاهش آلودگی محیط و کاهش آسیب‌های انسانی نیز اشاره کرد.

انواع فرایندها پرینت سه­بعدی برای پرینترهای صنعتی نیز موجود است از جمله فناوری­های بستر پودری. اما به‌طورکلی فرایندهای FDM کاربرد گسترده­تری در صنعت دارند. لذا پرینترهای صنعتی با این فرایند بیشتر تولید شده است. برخی از پرینترهای صنعتی همراه با مشخصات آن­ها در شکل ۱ نشان داده شده است.

پرینتر سه بعدی1

مزایای پرینترهای صنعتی

پرینترهای صنعتی تمام مزایای مربوط به پرینترهای معمولی را دارا می­باشند. این مزایا شامل آزادی در طراحی و تولید قطعات پیچیده، تبدیل سریع ایده­های طراحی به نمونه اولیه و کاهش ضایعات است که حتی در مواردی می­تواند ضایعات را به کمتر از 1 درصد کاهش دهد است. علاوه بر این پرینترهای صنعتی مزایای دیگری نیز دارند. از جمله اینکه زمان تولید بسیار کوتاه­تر است. از آنجایی که قابلیت اطمینان در این نوع پرینترها بالا است می­توان با سرعت­های بالاتری به تولید قطعات پرداخت. علاوه بر این می­توان از چاپگرهای صنعتی برای چاپ 24 ساعته و 7 روزه اطمینان حاصل کرد. زیرا چاپگرهای صنعتی را می­توان بدون نظارت نیز اجرا کرد. این چاپگرها هنگام چاپ، نیازی به اپراتور برای بررسی شرایط مناسب کار و جلوگیری از حوادث ناگهانی ندارد. کاهش ساعات کار اپراتور و افزایش بهره­وری از مزایای این نوع پرینترهاست.

بررسی پرینترهای صنعتی

همان‌طور که بیان شد پرینترهای صنعتی متفاوتی تولید شده است. با هم برخی از این پرینترها را بررسی می‌کنیم.

پرینتر Renishaw

. در این میان شرکت Renishaw یک نوع پرینتر صنعتی طراحی کرده است که به طور خاص برای تولیدات صنعتی طراحی شده است. این شرکت طراحی پرینتر Renishaw’s AM250 را نیز در کارنامه خود دارد که بیشتر برای کاربردهای تحقیقاتی و آزمایشگاهی مورداستفاده قرار گرفته است. به‌خصوص برای ساخت قطعاتی که از جنس­های متعددی ساخته می­شود و در واقع این دستگاه برای تغییرات بین مواد موردنیاز، مناسب­تر است.

Renishaw در طراحی پرینتر جدید خود که موقتاً پروژه EVO نامیده می­شود، می­گوید که بر اتوماسیون، نظارت بر فناوری‌ها و کاهش تعامل اپراتور متمرکز شده است و آن را برای تولیدات صنعتی تک‌ماده‌ای مناسب می­کند. این پرینتر صنعتی از فناوری‌های بستر پودری استفاده می­کند و از جمله مزایایی که دارد می­توان به این مورد اشاره کرد که این پودر پراکنده نمی‌شود، درحالی‌که گردش مجدد پودر، بازیافت و بازیابی آن در جو بی‌اثر سیستم انجام می­شود که باعث می­شود از اپراتور و مواد محافظت کند. شکل ۲ نمایی از این دستگاه را نشان می­دهد.

دستگاه EVO Project شامل یک لیزر 500 واتی، یک سیستم فیلتراسیون با ظرفیت بالا، یک رابط کاربری 19 اینچی HMI و گردش کار هوشمند برای کاهش نیاز به تعامل با اپراتور است.

این چاپگر اولین سیستم تولید مواد افزودنی است که در این شرکت طراحی و مهندسی شده است و از نیمه دوم سال 2015 در دسترس قرار گرفت.

پرینتر_های_سه_بعدی_2

BigRep  جلودار انقلاب چهارم صنعتی

BigRep، یکی از شرکت­های تولیدکننده پرینترهای صنعتی است و چاپگرهای سه­بعدی در مقیاس بزرگ تولید می­کند. این شرکت هم اکنون قصد دارد پرینتر­های خود را به سیستم­های کنترل CNC مجهز کند. این بدین معناست که ماشین مذکور برای تولید یک قطعه، هم‌زمان از فرایندهای افزایشی و کاهشی کمک می­گیرد. این شرکت برای تحقق این امر از درایوهای ساخته شده توسط سازنده کنترل Bosch Rexroth استفاده می­کند. دکتر استفان بیر (Dr Stephan Beyer)، مدیرعامل BigRep، می­گوید: “کنترلرهای Rexroth یک پلتفرم عالی برای اتصال کامل چاپگرهای سه­بعدی به سیستم­های تولید و اتوماسیون موجود است.” این شرکت می­گوید این دستگاه، اولین دستگاهی است که سیستم­های کنترل CNC را در چاپگرهای سه­بعدی ادغام کرده است که باعث می­شود چاپ سه­بعدی به عنوان انقلاب صنعتی چهارم معرفی شود.

پرینت سه­بعدی ساختمان

در دهه گذشته، تیم­های تحقیقاتی مهندسی در حال بررسی چاپ سه­بعدی برای ساخت قسمت­های مختلف ساختمان و یا کل خانه­ها هستند. در این روش، ساخت خانه­ها با “چاپگرهای فوق العاده بزرگ” انجام می­شود، که از مخلوط بتن و کامپوزیت مخصوص استفاده می­کنند. این مخلوط بسیار ضخیم­تر از بتن معمولی است و اجازه می­دهد تا در حین ساخت به خود تکیه دهد و نیاز به نگه­دارنده نداشته باشد. استفاده از پرینترها برای ساخت ساختمان­ها امکانات و توانایی­های زیادی را برای معماران ایجاد می­کند. لذا هر روز بیشتر مورد استقبال قرار می­گیرند تا جایی که ممکن است بتواند صنعت ساختمان را در آینده­ای نزدیک بسیار متحول کند. با این وجود طیف گسترده­ای از دیدگاه­ها در مورد اینکه این فناوری می­تواند به کجا برسد وجود دارد. بعضی­ها بر این باورند که چاپ سه­بعدی نمی­تواند به طور کامل جایگزین ساخت سنتی در چند سال آینده برای ساختمان­ها شود و تنها این امکان وجود دارد که هر دو فناوری در صنعت وجود داشته باشد و چاپ سه­بعدی همراه با تکنیک­های سنتی توسعه یابد و به ویژه در پروژه­های ساختمانی پیچیده­تر کاربرد داشته باشد. این مطلب نشان می­دهد با وجود پیشرفتی که پرینترهای ساختمانی داشته­­اند، این فناوری همچنان محدودیت­های زیادی نیز به همراه دارد.

مزایا و معایب پرینترهای ساختمانی

این فناوری، مزایای بسیاری دارد از جمله کاهش هزینه­ها. هزینه چاپ عناصر ساختمانی خانه­ها بسیار کمتر از روش­های ساخت سنتی است. علاوه بر این زمان مورد نیاز برای تکمیل ساختمان و همچنین ضایعات ساختمانی و صنعتی را می­توان به میزان قابل توجهی کاهش داد. به طور کلی فرایند چاپ ساختمان در مقایسه با روش­های سنتی، ضایعات و گرد و غبار کمتری تولید می­کند. در واقع این فرآیندها سازگار با محیط زیست است و استفاده از مواد اولیه با انرژی کم را به همراه دارند. از دیگر مزایای این پرینترها کاهش تعداد جراحات و مرگ و میر در محل است به این دلیل که چاپگرها قادر به انجام کارهای خطرناک خواهند بود. فناوری چاپ سه­بعدی در ساختمان­ها باعث افزایش پایداری می­شود و خانه­ها می­توانند بر اساس چرخه حیات مصالح ساخته شوند. علاوه بر همه موارد بیان شده ایجاد ساختمان­ها با اشکال پیچیده، می­تواند به یکی از بزرگترین مزایای اکثر معماران تبدیل شود. تخیل آن­ها قادر خواهد بود موانع قبلی مربوط به محدودیت تکنیک­های سنتی ساختمان را شکست دهد. چاپ سه­بعدی ممکن است معماری امروزی را بسیار متحول کند.

با وجود مزایای زیاد، از سوی دیگر هنوز نگرانی­های زیادی وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد. اصلی­ترین عیب این است که اگر فناوری چاپ سه­بعدی به طور کامل جایگزین ساخت سنتی شود شغل هزاران کارگر واجد شرایط از بین می­رود.

با وجود تمام محدودیت­ها و نگرانی­ها از چاپ سه­بعدی ساختمان در کنار مزایای آن، اقداماتی در این باره صورت گرفته و ساختمان­ها سه­بعدی نیز تولید شده است که در ادامه تعدادی از این ساختمان­ها معرفی خواهد شد.

ساختمان­ها تولید شده به روش سه ­بعدی

اگر تصور می‌کنید که ساخت منزل مسکونی و یا یک دفتر کار توسط پرینترهای سه بعدی پدیده‌ای مربوط به آینده است، سخت در اشتباه هستید. در همین لحظه که در حال خواندن این مطلب هستید، ساختمان‌های مبتنی بر فناوری پرینتر 3 بعدی وجود دارند که با برخی از آنها آشنا می‌شویم.

ساختمان آینده در دبی

ساختمان تولید شده به روش سه­بعدی برای کمیته ملی امارات متحده عربی به عنوان “دفتر مرکزی بنیاد آینده” در دبی طراحی شده است. این دفتر که به اصطلاح به آن “دفتر آینده” می­گویند در درجه اول به عنوان محلی برای قرارهای ملاقات از سراسر جهان است. این دفتر چاپ شده سه­بعدی یک ساختمان کاملاً کاربردی و شامل آب، برق، مخابرات و سیستم­های تهویه مطبوع است. این ساختمان در چین تولید شده و پس از چاپ آن به دبی ارسال شده است. این پروژه در نهایت هزینه­های کار را 50 تا 80 درصد و ضایعات ساختمانی را 30 تا 60 درصد کاهش داده است. لازم به ذکر است این ساختمان به عنوان کاتالیزور انقلاب چاپ سه­بعدی ساخت و ساز در دبی معرفی شده است. در ادامه نمایی از ساختمان نشان داده شده است.

پرینتر_سه_بعدی

خانه Apis Cor در روسیه

یک شرکت روسی به تازگی این ساختمان را طراحی و تولید کرده است. این خانه که دارای مساحت 400 فوت مربع (حدودا ۳۷ مترمربع) است تنها در 24 ساعت در مسکو ساخته شده است. هزینه این ساختمان 10،000 دلار است که نشان می­دهد فناوری چاپ سه­بعدی از پتانسیل بالایی برای تولید ساختمان­ها در آینده برخوردار است. این خانه به طور کامل در محل ساخته شده است. خانه­ای است که مطمئناً قابل سکونت است و فضا کم دارد. تمام دیوارها و پایه­های این سازه با مخلوط بتنی چاپ شده و قسمت­های دیگر مانند پنجره­ها، وسایل و مبلمان پس از ساخت اضافه شده است. خانه با یک رنگ تازه و هزینه نهایی کل پروژه به مبلغ متوسط 10،134 دلار به پایان رسیده است.

پرینتر_سه_بعدی

کار پرینترهای ساختمان

سازوکار اصلی پرینترهای ساختمان، مانند پرینترهای سه­بعدی دیگر و بسیار نزدیک به پرینترهای FDM است. ابتدا مدل­سازی سه­بعدی یک ساختمان انجام می­شود. یکی از رایج­ترین فرمت­ها برای به اشتراک­گذاری چنین مدل­هایی، قالب STL است که توسط بسیاری از نرم افزارهای اختصاصی پذیرفته شده است. پس از آن پرینترها شروع به ساخت می­کنند. این پرینترها نیز در سه راستا حرکت می­کنند و با رسوب ماده مد نظر به صورت لایه به لایه ساختمان مورد نظر را تولید می­کنند. تفاوت اصلی پرینترهای ساختمانی با سایر پرینترها ابعاد بسیار بزرگ این پرینترها و نازل آن­ها است. نازل این پرینترها به گونه­ای متفاوت طراحی می­شود به نحوی که توانایی پرینت مصالح ساختمانی از جمله سیمان را داشته باشد.

علاوه بر این، ادغام روش BIM با مدل­سازی چاپ سه­بعدی برای بهره­وری انرژی، طراحی بهتر، کاهش هزینه و جداسازی ساختار، موثر خواهد بود. در ادامه این روش توضیح داده خواهد شد.

BIM

BIM مخفف Building Information Modeling و به معنی مدل­سازی اطلاعات ساختمان است که یک نمایش دیجیتالی از ویژگی­های فیزیکی و عملکردی تأسیسات و یک منبع دانش مشترک برای اطلاعات در مورد ساختمان ایجاد می­کند که مبنایی قابل اعتماد برای تصمیم­گیری در طول چرخه عمر آن از اولین تصوری که در ذهن وجود دارد تا تخریب ساختمان است.

در صنعت ساختمان همواره دو رویکرد بسیار حائز اهمیت است:

  • افزایش بهره­ وری، ارزش زیرساخت، کیفیت و پایداری
  • کاهش هزینه­های چرخه عمر و زمان ساخت

مدل سازی اطلاعات ساختمان (BIM) به دنبال ادغام این رویکردها در کل چرخه ساخت ساختمان است. در صورت استفاده مناسب، BIM می­تواند روند طراحی و ساخت یکپارچه­تر را تسهیل کرده و مزایای قابل توجهی را ایجاد کند. از جمله این مزایا می­توان به خطاهای هماهنگی طراحی کمتر، راهکارهای طراحی کارآمدتر از نظر انرژی، برآورد سریعتر هزینه و کاهش زمان چرخه تولید اشاره کرد. BIM تصویر جدیدی از کار را ارائه می­دهد که چشم اندازهای قدرتمندی را برای یکپارچه­سازی و هماهنگی حوزه­های مختلف و فرآیندهای مربوط به طراحی، ساخت و بهره­برداری از ساختمان­ها ارائه می­دهد.

فرایند چاپ سه­ بعدی ساختمان­ها توسط BIM در شکل زیر نشان داده شده است و همانطور که قابل مشاهده است با استفاده از BIM مدل ساختمان طراحی می­شود. این کار مشابه مدل­سازی در نرم­افزارهای CAD برای پرینترهای معمولی است. ادامه کار نیز به طور کامل مشابه پرینترها است. از مدل طراحی شده فایل STL استخراج می­شود این فایل توسط نرم­افزارها به هزاران لایه تقسیم شده و دستورات لازم به دستگاه پرینتر ساختمانی به منظور ساخت ساختمان ارسال می­شود.

پرینتر_سه_بعدی_ساختمان

ظهور پرینتر سه بعدی در حوزه ساختمان

آیا ساختمان ها برروی سینی ساخت پرینتر سه بعدی قرار خواهند گرفت؟

بیایید با هم آینده را پیش بینی کنیم! مرحله‌به‌مرحله تصویری از آینده پرینتر سه بعدی در صنعت ساختمان را مجسم کنیم.

آیا شما شک دارید که روزی پرینتر سه بعدی به یکی از ابزار مؤثر در صنعت ساختمان تبدیل می‌شود؟ باید بگویم که من در حتمی بودن این قضیه شکی ندارم. شاید از دیدگاهی بازتر بتوان گفت در همین لحظه‌ای که شما در حال خواندن این مقاله هستید پرینتر سه بعدی یکی از ابزارهای بسیار مؤثر در صنعت ساختمان است. ساخت ماکت‌ها و نمونه‌های فراوانی که در سراسر جهان پرینت سه بعدی می‌شوند گویای این مطلب است که در بخش طراحی و نمونه‌سازی ساختمان دستگاه‌های پرینتر سه بعدی نقش مهمی را ایفا می‌کنند.

پرینتر_های_سه_بعدی

اما برگردیم به مبحث ساخت، آیا واقعاً در این بخش پرینترهای سه بعدی حرفی برای گفتن دارند؟

زندگی در مریخ؛ از رؤیا تا واقعیت

سکونت انسان بر روی مریخ دیگر فقط یک رؤیا طول و دراز نیست. حتماً می‌دانید که ایلان ماسک مدیرعامل شرکت اسپیس ایکس (SPACE X) تصمیم دارد تا کمتر از 7 سال دیگر اقدام به فرود آوردن انسان بر روی سطح مریخ کند. اما سؤال مهم این است انسان‌ها وقتی به مریخ رسیدند در کجا قرار است زندگی کنند؟ امکان ساختن خانه در مریخ و ماه وجود دارد؟ پروفسور بهرخ خوشنویس برای ساخت خانه در مریخ و ماه چاره‌ای اندیشیده است.

ایده دانشمند ایرانی در دستور کار ناسا

ناسا در پروژه پرینت سه بعدی برای ساخت سازه روی سطح ماه، کمک‌هزینه‌ای (بودجه‌ای ۵۰۰ هزار دلاری) در اختیار استاد بهرخ خوشنویس، محقق ایرانی دانشگاه کالیفرنیای جنوبی و مدیر مرکز فناوری‌های ساخت سریع خودکار قرار داده است. در روش پیشنهادی دکتر خوشنویس (تکنیک Contour Crafting)، لایه‌های بتن توسط یک پرینتر بزرگ اکسترود می‌شوند. سیستم لوله کشی، سیم کشی برق و سایر امکانات نیز توسط سیستم‌های رباتیک در هنگام ساخت نصب می‌شوند و هر فوت مربع از دیوار در ۲۰ ثانیه ساخته می‌شود. دکتر خوشنویس در حال حاضر با برنامه Innovative Advanced Concepts ناسا (NIAC) همکاری می‌کند تا روش ابداعی خود را عملیاتی سازد.

بتن روی سطح ماه؟

تاکنون تحقیقات مختلفی در سراسر جهان در خصوص امکان استفاده از خاک و سنگ‌های ماه برای تولید بتن صورت گرفته است. تحقیق انجام شده در دانشگاه آلابامای جنوبی نشان می‌دهد، بتن تولید شده از گوگرد مذاب می‌تواند در احداث سازه‌های مختلف روی سطح ماه مورداستفاده قرار بگیرد. در تحقیق دیگری که توسط ناسا انجام شده است، از نانو لوله‌های کربنی (Carbon Nano Tube)، چسب، خاک ماه و سنگ برای تولید بتن استفاده شد.

ساخت و ساز روی ماه

عدم وجود جو، نیروی گرانش پایین و محیط خشن سطح ماه کار ساخت و ساز را برای محققان دشوار و تا حدودی غیرممکن می‌سازد.

سیستم رباتیک ابداعی دکتر «بهرخ خوشنویس»، استاد ایرانی دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در بین 4300 طرح رباتیک ابتکاری که از سوی داوران جایزه ملی ابتکارات (National Invention Prize) آمریکا مورد بررسی قرار گرفته‌اند، به همراه 24 طرح دیگر به مرحله نهایی این رقابت فشرده علمی راه یافت.

دکتر بهرخ خوشنویس رباتی را طراحی کرده و ساخته است که می‌تواند در مدت 24 ساعت ساختمانی به مساحت 200 مترمربع را بدون دخالت هرگونه نیروی انسانی از پایه بنا کند و به‌زعم دانشمندان، صنعت ساختمان‌سازی جهان را در آستانه انقلابی نوین قرار داده است. برگزارکنندگان این رقابت نوآورانه در حوزه فن آوری، راه‌یافتگان به مرحله نهایی مسابقه را طراحان مبتکری خوانده‌اند که با پافشاری بر طرح‌های خاص خود همچون گذشتگانی نظیر «بن فرانکلین» و «توماس ادیسون» به دنبال ایجاد تغییرات شگرف در شیوه زندگی مردم هستند. پروفسور خوشنویس خود از این فناوری به عنوان بزرگ‌ترین دستاورد بشری در زمینه ساخت و ساز پس از احداث دیوار بزرگ چین یاد می‌کند؛ در همین خصوص «جیمز مور» رئیس مدرسه USC  در سازمان مهندسی سیستم‌ها و صنایع آمریکا (Department of Industrial and Systems Engineering) از پرفسور خوشنویس به عنوان ادیسون این دپارتمان یاد کرد و گفت: «پرفسور خوشنویس به جای آنکه تنها با پرسه‌زدن به دور برخی نظریه‌ها و برهان‌ها خود را راضی کند، درک تکنولوژیکی پالایش یافته‌، صبر و حتی خطا و پایداری مافوق انسانی را با یکدیگر ترکیب می‌کند تا به تحولی پس از تحول دیگر نائل شود.» وی در ادامه گفت: «اختراع پروفسور خوشنویس از نوع اختراعات ابتکاری است و جذبه ذاتی دارد زیرا این ابتکار به همه مردم شانسی برای لذت بردن از تجربه‌های خیال‌انگیز می‌دهد.».

عملکرد این چاپگر سه بعدی است؟

نحوه عملکرد ربات به این صورت است که ابتدا بتن مخصوص خود را که می‌تواند ترکیبی از گچ، خشت، بتن معمولی، پلاستیک یا حتی ذرات چوب با ترکیبی چسبنده باشد، به‌صورت خمیری مایع درمی‌آورد؛ سپس بر اساس فرمان رایانه، این خمیر را از طریق دریچه نازل خود در نقاط تعیین شده قرار می‌دهد. این لایه بتنی به‌سرعت سخت می‌شود و بدین ترتیب ساختمان لایه به لایه بالا می‌آید. در این پروسه، ابتدا سطوح خارجی شکل می‌گیرد و سپس داخل آنها پر می‌شود. به بیان دیگر ابتدا محیط شکل هندسی چاپ شده و سپس بخش داخل آن با بتن انباشته می‌شود. محل‌های مربوط به کابل‌ها و کانال‌ها نیز خالی می‌ماند. ربات ابداعی قادر است تمام اجسام سه بعدی را با هر شکل دلخواه از جمله مکعب‌ها، جعبه‌ها، بطری‌ها، سیلندرها، حلقه‌ها یا دیسک‌ها ایجاد کند. البته ربات همان چیزی را می‌سازد که آرشیتکت قبلاً در برنامه رایانه‌ای ساختمان (CAD) طراحی کرده است. این فرایند جدید تلاشی جاه‌طلبانه است تا فرایندی همچون ساخت یک خانه بسیار کوتاه‌تر و راحت‌تر شود.

پرینتر_سه_بعدی

سخن آخر

ساخت ساختمان با استفاده ازه پرینتر های سه بعدی، هر روز بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. فراگیری این پرینترها را به انقلاب صنعتی چهارم تشبیه کرده‌اند. رویکردی که در صورت جهانی شدن، می‌تواند بسیاری از مسائل مانند اسکان بعد از بلایای طبیعی را حل کند.

Share on linkedin
LinkedIn
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on telegram
Telegram
Share on twitter
Twitter

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

به بالای صفحه بردن