ساخت اجسام با چاپگرهاي سه بعدي اولين بار توسط پروفسور چالز (چاك)‌هال در سال ١٩٨٦ انجام شده است كه با استفاده از انواع پليمرها و به كمك ليزر خطي قوي رزين مايع را سخت مي‌كند، 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، 2015). 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، 1397). 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 اولين چاپگر سه بعدي، مواد مختلفي از جمله انواع پلاستيك و سراميك تا بتن و گل را به‌وسیله چاپگرهای سه بعدي چاپ كرده‌اند. خود چاپگرها انواع و ابعاد متفاوتي دارند كه با توجه به كاربرد و موادي كه چاپ مي‌كنند دسته‌بندی مي‌شوند. در اين مقاله ما به‌طور متمركز بر روي 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، 1397) و از تمامی‌نرم‌افزارهای سه بعدی Autodesk نظیر: Rhaino _Maya_ Zbrush و…. می‌توان استفاده کرد (رائل و سن فراتلو، 2011).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 1988 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، 2016).

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، 1397). 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، 2016).
پیوند پودر (پیوند پلیمری، پیوند واکنشی، پخت): ساخت قطعات پلیمر بتنی برای چاپ سه بعدی (راشل و همکاران، 2011).
جوشکاری افزودنی (بنایی و جمالی، 1397).

تکنولوژی چاپگر سه بعدی (3DP)

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 ، 2018). تکنولوژی چاپگر سه بعدی فرآیند تولید افزودنی را از ساختن قطعات کوچک صنعتی به ساختن ساختمان‌ها کاهش می‌دهد (ژانگ و همکاران، 2009).
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 زيادي در زمينه چاپگر سه بعدي كار مي‌كنند تا بتوانند به اين فناوري جديد ارزش دهند و به تكامل نسبي برسانند. در اين بين برخي از اين مجموعه‌ها گامي فراتر از محيط آزمايشگاهي گذاشته‌اند و از اين فناوري در صنعت ساخت‌وساز دنيا بهره برده‌اند. در ادامه اين پژوهش به برخي از پروژه‌هایی كه در ابعاد واقعي و با بهره‌مندی از تكنولوژي چاپگرهای سه بعدي ساخته شده‌اند پرداخته شده است. تا سال ٢٠١٩ رکورد جهانی بزرگترین سازه ساخته شده با چاپگر سه بعدی، توسط شرکت روسی (با ارتفاع ٩.٥ متر با مساحت ٦٤٠ مترمربع) و همچنین خانه اولین دفتر چاپ سه بعدی جهان و یک آزمایشگاه تحقیقاتی پهپادهای چاپگر سه بعدی بود؛ اين پروژه در شهر دبي امارات متحده عربي احداث شده است. تمامي ديوارهاي اين پروژه با چاپگر سه بعدي چاپ شده است (شکل 1).

خانه‌ای ٣٨ مترمربعی در شهر استوپينو روسيه كه از بالا شبيه نماد طوفان در نقشه‌های آب و هوايي است. البته اين يك شكل مناسب براي اين خانه است زيرا خانه با سرعت طوفان ساخته شده است. اين پروژه محصول همكاري بين دو شركت است. هزينه كلي ساخت (هزينه ساخت و تجهيزات الكتريكي هوشمند) اين خانه به ١٠١٣٤ دلار رسيد كه يعني به ازاي هر مترمربع ٢٧٥ دلار هزينه کرده‌اند. در حالی شركت سازنده ادعا دارد كه ساخت خانه‌ای سنتي و مربعي شكل با تجهيزاتي كمتر از اين خانه حدود ٢٢٣ دلار براي هر مترمربع هزينه خواهد داشت (شاهکلانی و همکاران، 1401).
اولين خانه ساخته شده با چاپگر سه بعدي در آلمان با مساحت ١٦٠ مترمربعی در دو طبقه درشهر بكوم، شهري در ايالت نوردراين- وستفالن، درست در مجاورت هلند و بلژيك واقع شده است. اين خانه اولين خانه چاپ سه بعدي است كه به‌طور كامل تحت مقررات ملي ساختماني دولت (آلمان) تأييد شده است. ساخت اين پروژه در ١٧ سپتامبر ٢٠٢٠ شروع شده و در تابستان ٢٠٢١ جهت بهره‌برداری افتتاح گرديده است. شايد تا قبل از اين خانه چندين خانه با چاپ سه بعدي در ایالات‌متحده ساخته شده باشد، اما طبق ادعای CNN، اين خانه اولين خانه‌ای است كه به‌طور رسمي به فروش رسيده است. اين خانه كه با شراكت شرکت‌هاي ”cobod” با “Habitat for Humanity Peninsula and Greater Williamsburg” و در مساحت ١٢٠٠ فوت مربعي در حدود ١٢ ساعت ساخته شده است كه به‌طور قابل توجهي سریع‌تر از تکنیک‌های ساختماني معمولي است (شاهکلانی و همکاران، 1401).

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.