صنعت ساخت و ساز در پذیرش فناوری های جدید کند است. با این وجود، در سال های اخیر، چاپ سه بعدی به عنوان یک راه حل امیدوارکننده برای بسیاری از چالش های صنعت ظاهر شده است.
پرینت سه بعدی فرآیندی است که لایه های مقطعی مواد را یکی پس از دیگری قرار می دهد تا زمانی که شیء کامل ساخته شود. این تکنیک برای چندین دهه در صنایع خودروسازی و هوافضا و سایر موارد مورد استفاده قرار گرفته است. با این وجود، پتانسیل آن برای ساخت و ساز، به تازگی مورد بررسی قرار گرفته است. فناوری این پتانسیل را دارد که طرز ساخت و ساز را متحول کند و روند را سریعتر، بهینه و پایدارتر کند.
در این مقاله آموزشگاه فنی به بررسی مزایا و چالش های فناوری چاپ سه‌بعدی در مهندسی عمران می پردازیم. همچنین روش‌های مختلف پرینت سه بعدی را که ممکن است در صنعت ساخت‌وساز اعمال شود، در نظر می‌گیریم .
استفاده فناوری چاپ سه بعدی در ساخت و ساز
پرینتر های سه بعدی که به طور ویژه برای ساخت و ساز مورد مثرف قرار میگیرند معمولاً با عنوان “چاپگرهای سه بعدی ساختمانی” نیز شناخته می شوند. یک پروژه پرینت سه بعدی ساختمانی (C3DP) معمولاً با یک مدل دیجیتالی سه بعدی از ساختاری که باید ساخته شود شروع می شود. این مدل تقریباً به لایه ها تقسیم می شود. سپس ربات چاپگر یا سیستم دروازه‌ای یک مسیر از پیش برنامه‌ریزی‌شده را دنبال میکند تا هر لایه از خطوط اصلی را ردیابی کند و مواد را تا زمانی که کل برش کامل شود، اکسترود میکند. پس از تکمیل یک لایه، لایه بعدی در بالای لایه اول شروع می شود و ساخت و ساز به همین ترتیب ادامه می یابد تا ساختار کامل ساخته شود. ممکن است از موادی مانند بتن، فلز یا پلیمرها برای تشکیل این ساختار سه بعدی استفاده کند.
شناخته شده ترین تکنولوژی چاپ سه‌بعدی در مهندسی عمران دارای یک بازوی رباتیک است که در حین حرکت بتن را بیرون می ریزد. روش پودری و افزودنی روش های دیگری هستند که برای چاپگرهای سه بعدی ساخت و ساز استفاده می شوند. در روش پودری، لایه های پودری برای ایجاد طرح سه بعدی مورد نظر روی هم قرار میگیرند. تا به امروز از پرینت سه بعدی برای چاپ خانه ها، ادارات و سایر سازه ها استفاده شده است.
چرا فناوری پرینت سه بعدی برای شرکت های ساختمانی سودمند است؟
صنعت ساخت و ساز می تواند از فناوری چاپ سه بعدی به طرق مختلفی بهره مند شود. در مرحله اول، اجازه می دهد تا قطعات و اجزای سازنده برای یک پروژه خاص طراحی شوند، انعطاف پذیری بیشتر در طراحی و عملکرد بهبود یافته ارائه می شود. ثانیاً، تنها با استفاده از مقدار مواد مورد نیاز برای ایجاد یک ساختار، می‌تواند به میزان قابل توجهی ضایعات را کاهش دهد که منجر به صرفه‌جویی در هزینه و بهبود پایداری میشود. فراتر از آن، می تواند روند ساخت و ساز را تسریع بخشد، زیرا قطعات و اجزاء را می توان به سرعت در محل ساخت و در نهایت منجر به تکمیل سریعتر پروژه می شود. همچنین می تواند با کاهش خطرات انسانی، ایمنی را بهبود بخشد. در نهایت، در حالی که سرمایه گذاری اولیه در فناوری چاپ سه بعدی می تواند قابل توجه باشد، کارایی و مزایای دیگر آن منجر به صرفه جویی در هزینه در طول عمر تجهیزات می شود. به طور کلی، پتانسیل پرینت سه بعدی آن را به یک فناوری امیدوارکننده برای کل صنعت ساخت و ساز تبدیل می کند.
مزایای پرینت سه بعدی برای ساخت و ساز چیست؟
فناوری چاپ سه‌بعدی در مهندسی عمران دارای مزایای بی شماری است که صنعت ساخت و ساز را راحت تر و بهینه می کند که فرآیندهای تولید سنتی نمی توانند. این مزایا شامل موارد زیر است:
- طراحی و نوآوری انعطاف پذیر: ایجاد طرح های پیچیده به وسیله چاپ سه بعدی در مقایسه با فرآیندهای تولید سنتی امکان پذیرتر است. برخلاف روش‌های قدیمی‌تر که بر استفاده مجدد از طرح‌ها و قالب‌ها تکیه می‌کنند، پرینت سه بعدی شما را قادر می‌سازد تا راه‌حل‌های سفارشی‌سازی شده ایجاد کنید. در کنار آن معماران می توانند ساختمان های قابل چاپ خلاقانه ای را طراحی کنند. به عنوان مثال، اگر مشتریان طرح های خاص یا اشکال نامتعارف را برای خانه یا محل کار خود درخواست کنند، مدل ها را می توان به راحتی در نرم افزار تغییر داد و برای مطابقت با آنها چاپ کرد. این روش نسبت به روش های سنتی ساخت و ساز به نیروی انسانی کمتری نیاز دارد و هزینه ها را از این نظر کاهش میدهد.
- تولید سریع: فناوری پرینت سه بعدی می تواند اجسام مورد نظر را ظرف چند ساعت تولید کند و سرعت عمل فرآیند نمونه سازی را افزایش دهد. با انجام این روش دوره عمران، هر مرحله از فرآیند طراحی می‌تواند سریعتر و ارزان‌تر از زمانی که اقلام ماشین‌کاری می‌شوند اتفاق بیفتد. اتوماسیون این فناوری به این معنی است که خانه ها یا سازه ها را می توان در چند روز ساخت. چاپگرهای خودکار می توانند در طول شب و گاهی اوقات حتی در آب و هوای بد نیز کار کنند، بنابراین زمان خرابی شما به حداقل می رسد.
- به حداقل رساندن ضایعات: یک از معضلات سایت های ساختمانی، ایجاد زباله های زیاد است. با این وجود، فناوری پرینت سه بعدی فقط از مواد مورد نیاز برای هر قسمت استفاده میکند و در نتیجه هدر رفت بسیار اندک است.
- مواد بازیافتی: چاپگرهای سه بعدی می توانند از مواد بازیافتی استفاده نمایند. این به نفع شرکت شما و محیط زیست است. چاپگرهای سه بعدی معمولاً الگوهای شبکه ای ایجاد می کنند تا پلاستیک بازیافتی بتواند اساس یک ساختار محکم را تشکیل دهد. صنعت ساخت و ساز همچنین از بتن بازیافتی و سایر مواد بازیافتی نیز استفاده می کند.
- اثربخشی درازمدت هزینه: فناوری چاپ سه‌بعدی در مهندسی عمران می تواند جای چندین ماشین تولید را بگیرد، بنابراین هزینه تجهیزات شما معقول تر خواهد بود. با کاهش اتلاف و خرابی نیز این روش باعث صرفه جویی در هزینه می شود.
- خطای انسانی کمتر: این فناوری قادر است تا به طور قابل توجهی خطاهای ایجادی در طول ساخت و ساز کاهش دهد. سازه های پرینت سه بعدی با کیفیت بالا به جلوگیری از حوادث ساختمانی کمک می کند و نتایج مطلوب را به مشتریان ارائه می دهد. پرینترهای سه بعدی با توانایی کارکرد شبانه روزی می توانند نیاز به نیروی انسانی را به حداقل برسانند و کارگران نقش های نظارتی را بر عهده داشته باشند.
معایب پرینت سه بعدی برای ساخت و ساز
اگرچه مزایای بسیاری در ارتباط با پرینت سه بعدی در صنعت ساخت و ساز وجود دارد، اما برخی از اشکالات اساسی نیز وجود دارد. برخی از این موارد عبارتند از:
- هزینه های سرمایه گذاری بالا: خرید یک چاپگر یا حتی اجاره آن می تواند بسیار گران باشد. همچنین چالش های لجستیکی حمل پرینترهای سه بعدی بزرگ به محل کار وجود دارد. علاوه بر هزینه اولیه چاپگرها، هزینه های جاری برای مواد و نگهداری نیز باید در نظر گرفته شود. در نتیجه، بسیاری از متخصصان ساخت‌وساز توجیه هزینه‌های فناوری پرینت سه‌بعدی را در مقابل مزایای آن دشوار می‌دانند.
- کمبود نیروی کار: صنعت ساخت و ساز در حال رشد است اما با کمبود کارگران ماهر مواجه است. چاپ سه‌بعدی به مجموعه‌ای از مهارت‌های تخصصی‌تر نیاز دارد. در نتیجه، کمبود نیروی کار متخصص برای آینده چاپ سه بعدی، همچنان یک مشکل خواهد بود.
- کنترل کیفیت: با وجود اینکه پرینت سه بعدی امکان ساخت ساختارهای پیچیده و طرح های سفارشی را فراهم میکند اما حفظ کیفیت محصول نهایی همچنان می تواند چالش برانگیز باشد. در ساخت و ساز سنتی، سرپرستان، کارکرد کارگران خود را برای مشکلات یا خطاهای کیفیت بررسی می کنند. اما از آنجایی که فرآیند چاپ سه بعدی خودکار است، ساخت و ساز به دقت چاپگر متکی است. علاوه بر این، کیفیت مواد خام نیز می تواند بر کیفیت محصول نهایی تأثیر بگذارد. صنعت ساخت و ساز استانداردهای سختگیرانه خاص خود را برای مصالح ساختمانی دارد. اطمینان از اینکه مواد چاپگر سه بعدی مطابق با این استانداردها هستند می تواند یک چالش بزرگ باشد. هنوز هیچ معیار جهانی کنترل کیفیتی وجود ندارد که بتوان بر اساس آن مواد چاپی را قضاوت کرد.
- چالش های مقررات: با وجود همه توسعه در این زمینه چارچوب قانونی برای چاپ سه بعدی همچنان در حوزه ساخت و ساز نامشخص است. این فقدان نظارت مانع مهمی در برابر پذیرش سریع این فناوری است. ادغام تکنولوژی چاپ سه بعدی در مدیریت پروژه ساخت و ساز سنتی نیز یک چالش خواهد بود. زمان و اراده سیاسی قابل توجهی برای به روز رسانی آیین نامه های ساختمانی برای انعکاس فناوری جدید نیاز دارد.
انواع مختلف فناوری چاپ سه بعدی در ساخت و ساز
در حوزه ساخت و ساز، فناوری چاپ سه بعدی به طور معمول به دو دسته تقسیم می شود: بازوهای رباتیک و سیستم دروازه ای. در زیر به هر یک از این فناوری های پرداخته می شود:
- اکسترودرهای بازوی رباتیک: اکسترودرهای بازوی رباتیک یک روش کانتورینگ محسوب می شوند. بازوی رباتیک در حالی که بتن یا پلیمرها را لایه به لایه آزاد می ریزد تا ساختاری سه بعدی ایجاد کند، حرکت می کند. بازوی رباتیک چاپگر سه بعدی را می توان با استفاده از آموزش اتوکد کنترل کرد تا مواد را به طور دقیق در یک شکل و ضخامت خاص قرار دهد.
- سیستم دروازه ای: یک چاپگر سه بعدی دروازه ای ساخت و ساز، یک چاپگر سه بعدی در بزرگ است که از یک سیستم دروازه ای برای حرکت هد چاپ در امتداد هر سه جهت استفاده می کند. این ابزار در میان تیم های ساختمانی که سازه‌ها و ساختمان‌های بزرگ را از سه بعدی چاپ می‌کنند، رایج هستند. معمولاً بر روی ریل ها نصب می شوند که به آنها اجازه می دهد به شیوه ای با دقت و کنترل شده حرکت کنند. همچنین می توانند اجیام را در مقیاس های بسیار بزرگتر از انواع دیگر پرینترهای سه بعدی چاپ کنند. این امر سبب میشود تا آنها برای پروژه های بزگ ساختمانی انتخاب اول باشند. پرینترهای سه بعدی سیستم دروازه ای به دلیل پایداری و هزینه پایین نسبت به سایر چاپگرهای سه بعدی معروف تر هستند.
چه روش هایی برای پرینت سه بعدی برای ساخت و ساز استفاده می شود؟
چندین تکنیک پرینت سه بعدی را می توان در صنعت ساخت و ساز به کار برد که هر روش مزایا و محدودیت های خود را دارد. در ادامه برخی از رایج ترین روش های چاپ سه‌بعدی در مهندسی عمران آورده شده است:
- اکستروژن: رایج ترین تکنیک چاپ سه بعدی در صنعت ساخت و ساز است. این روش شامل توزیع مواد از طریق یک یا چند نازل نصب شده بر روی بازوی روباتیک، سیستم دروازه ای یا جرثقیل است. این روش تقریباً در همه محیط ها قابل استفاده است و معمولاً برای مدل سازی، نمونه سازی و تولید استفاده می شود.
- باندینگ پودری: باندینگ پودری یک روش چاپ سه بعدی است که با سایر تکنیک ها تفاوت دارد زیرا از مواد پودری به عنوان جزء اصلی آن استفاده می کند. جتینگ بستر پودری و جت بایندر دو روشی هستند که در این دسته قرار می گیرند. در جت کردن بستر پودر، لیزر ذرات مصالح ساختمانی را بر روی هر لایه مورد نظر از جسم ذوب می کند در حالی که مواد بیشتری برای تشکیل یک لایه جدید اضافه می شود. روش دیگر، بایندر جتینگ از یک سر چاپ استفاده می کند که یک ماده اتصال دهنده مایع را روی بستر چاپ پودری پخش می کند. بایندر ذرات را به هم متصل می کند و هر لایه از جسم مورد نظر را قبل از اضافه شدن یک لایه جدید تشکیل می دهد. این فرآیند لایه به لایه تکرار می شود تا زمانی که چاپ به پایان برسد. این تکنیک دقت بالایی را ارائه می دهد و می تواند چاپ های پیچیده تری را مدیریت کند.
- اسپری: این فرآیند شامل یک ربات مستقل است که به طور انتخابی مواد ساختمانی تحت فشار را به شکل دلخواه اسپری می کند و فرآیند را لایه به لایه تکرار می کند. این روش حفره هایی را بر جای می گذارد که می توان آنها را با بتن پر کرد. کاربرد آن در حال حاضر برای عناصر عمودی و سایر ویژگی‌ها مانند نما یا تزئینات سقف در حال بررسی است.
- لایه های شنی: این یک روش پرینت سه بعدی است که شامل رهاسازی لایه های ماسه برای ایجاد یک ساختار است. چاپگر دانه های شن و ماسه را تا رسیدن به ضخامت مورد نظر آزاد می کند. سپس قطرات عامل باندینگ توسط چاپگر رها می شود که ماسه را سخت و چسبانده می کند. این تکنیک برای ایجاد سازه های کوچک یا اجزای ساختمانی مناسب است. یکی از مزایای استفاده از لایه های شنی این است که مواد مورد استفاده در این تکنیک اغلب ارزان و به راحتی در دسترس هستند. همچنین این روش نسبتاً ساده ای است که نسبت به سایر روش های چاپ سه بعدی به تجهیزات تخصصی کمتری نیاز دارد.
محدودیت های چاپ سه بعدی در مورد ساخت و ساز چیست؟
با وجود مزایای فراوان، چاپ سه بعدی در حوزه ساخت و ساز هنوز دارای محدودیت های متعددی است. در ادامه برخی از مهم ترین محدودیت ها را عنوان میکنیم:
- مواد محدود: چاپ سه بعدی در ساخت و ساز در حال حاضر محدود به طیف نسبتاً کمی از مواد از جمله بتن، پلاستیک و کامپوزیت است. در نتیجه انواع ساختارهایی که می توانید چاپ کنید و همچنین دوام و طول عمر آنها محدود است.
- محدودیت های اندازه: اگرچه برخی از ساختارهای بزرگ قابل چاپ هستند، اندازه خود چاپگر اغلب اندازه محصول نهایی را محدود می کند. این امر چاپ پروژه های بزرگ را دشوار و وقت گیر می کند.
- کنترل کیفیت: اطمینان از کیفیت سازه های پرینت سه بعدی می تواند چالش برانگیز باشد، به ویژه از آنجایی که هیچ استاندارد یا کد صنعتی ثابتی برای ساخت و ساز با چاپ سه بعدی وجود ندارد.
- هزینه سرمایه گذاری: هزینه فناوری و مواد پرینت سه بعدی می تواند زیاد باشد. این به تنهایی می تواند توجیه استفاده از آن را نسبت به روش های ساخت و ساز سنتی دشوار کند.
- نیروی کار ماهر: چاپ سه بعدی نیازمند مجموعه ای تخصصی از مهارت ها و دانش است که هنوز به طور گسترده در صنعت ساخت و ساز در دسترس نیست. در این حوزه نیز کارگران واجد شرایط زیادی وجود ندارند که بتوانند با پرینترهای سه بعدی در تنظیمات ساخت و ساز، کار و نگهداری کنند.
پرینت سه بعدی چقدر دقیق است
به طور کلی، دستگاه های چاپ سه‌بعدی در مهندسی عمران نسبتاً دقیق هستند. با این وجود، برخی از عوامل می تواند بر دقت آنها تاثیر بگذارد. این عوامل عبارتند از: نوع چاپگر، کیفیت مواد چاپ، طراحی ساختار و مهارت اپراتور چاپگر. توجه به این نکته مهم است که فناوری چاپ سه بعدی هنوز نسبتاً جدید و در حال توسعه است و پرینترهای مختلف از نظر توانایی بسیار متفاوت هستند.
علاوه بر این، دقت ساختار پرینت سه بعدی ممکن است تحت تأثیر عواملی مانند دما و رطوبت در طول فرآیند چاپ و همچنین هرگونه خطا در طرح اصلی یا تبدیل طرح به فرمت فایل قابل چاپ باشد.
دقت و سرعت پرینت سه بعدی برای فرآیند ساخت و ساز
در مقایسه با روش های ساخت و ساز سنتی، چاپ سه بعدی برای ساخت و ساز به طور کلی سریع تر، کارآمدتر است و به کار دستی کمتری نیاز دارد. با این وجود، سرعت پرینت سه بعدی برای ساخت به عوامل مختلفی مانند اندازه و پیچیدگی سازه، نوع و اندازه پرینتر سه بعدی مورد استفاده و مواد چاپ شده بستگی دارد.
پرینت سه بعدی را می توان در یک فرآیند پیوسته و بدون نیاز به مونتاژ وقت گیر اجزای جداگانه انجام داد. از آنجایی که پرینت سه بعدی حداقل ضایعات را ایجاد می کند، محل کار زمان کمتری برای تمیز کردن نیاز دارد و حتی در زمان شما صرفه جویی می کند. با این وجود، فرآیند چاپ برای سازه‌های بزرگتر همچنان می‌تواند زمان‌بر باشد و در برخی موارد، چاپگر ممکن است نیاز به مکث داشته باشد تا مواد خشک شود.
آیا پرینتر سه بعدی می تواند انواع مدل های معماری را چاپ کند
دستگاه های چاپ سه‌بعدی در مهندسی عمران قادر به چاپ طیف وسیعی از مدل های سازه هستند. با این وجود، مناسب بودن پرینت سه بعدی برای یک مدل خاص به عواملی مانند اندازه، پیچیدگی و مواد مورد نیاز بستگی دارد. به عنوان مثال، چاپ سه بعدی برای ایجاد کپی های متعدد از یک مدل به سرعت و با دقت مفید است. چاپ می تواند شامل مواد و رنگ های مختلف باشد. با این وجود، وقتی صحبت از مدل‌های معماری بزرگتر میشود، چاپ سه بعدی به دلیل محدودیت‌های اندازه فناوری ممکن است بهترین گزینه نباشد. در چنین مواردی، تکنیک‌های دیگری مانند فرز CNC، برش لیزری یا مدل‌سازی سنتی ممکن است مناسب‌تر باشند.
