چاپ سه بعدی؛ آینده‌ی ساخت و ساز

هر کسی که تا به حال با دستگاه چاپ کار کرده باشد، این فکر به ذهنش آمده‌است که آیا می‌توان دستگاهی داشت که هر شکل و شئ‌ای را چاپ کند؟ از آغار قرن بیستم تا کنون مهندسان به دنبال تحقق بخشیدن به این رویا هستند. در این متن توضیحی درباره‌ی دستگاه‌های چاپگرسه‌بعدی داده‌ می‌شود و اجزای تشکیل‌دهنده‌ی این دستگاه معرفی می‌شوند. سپس درباره‌ی استفاده از چاپگرهای سه بعدی بتن در صنعت ساختمان‌سازی و مشکلاتی که هم‌اکنون مهندسان با آن مواجه هستند، گفته خواهدشد.

چاپ سه بعدی چیست؟

چاپ سه بعدی (یا ساخت افزودنی) پروسه‌ای است که یک شئ سه بعدی از یک مدل کامیپوتریش با موادی مانند پلاستیک، سرامیک و فلزات ساخته می‌شود. مدل سه بعدی معمولا در نرم‌افزاری مانند CAD طراحی می‌شود. این چاپ معمولا به صورت لایه به لایه انجام می‌شود؛ به طوری که بازوی دستگاه، با جلو و عقب رفتن، لایه جدید از شئ مورد نظر را می‌ریزد و سپس بعد از رسوب و شکل‌گیری این لایه، لایه بعدی اضافه می‌شود. درست مانند بافتن یک شال که به کمک قلاب، نخ لایه به لایه و خط به خط اضافه می‌شود و شال بافته می‌شود.

اجزای اصلی تشکیل دهنده‌ی پرینتر سه بعدی:

پرینترهای سه بعدی دستگاه‌های پیچیده‌ای هستند اما با دانستن اجزای تشکیل دهنده‌شان می‌توان درک بهتری نسبت به ساز و کار این دستگاه داشت.

1. مادربُرد (Motherboard) یا قطعه کنترلگر: مادربرد مسئول تمام عملیات اساسی پرینتر است و به عنوان مغز پرینترهای سه بعدی عمل می‌کند. برای مثال بازوها را طبق دستورالعمل‌های ارسال شده از رایانه، هدایت می‌کند.
2. ماده چاپ: این مواد به صورت قرقره در دسترس هستند. سپس تا دمای خاصی داغ می‌شوند و به صورت مایع در محفظه‌ای قرار می‌گیرند. سپس هنگام چاپ به صورت لایه به لایه روی “تخت چاپ” ریخته می‌شوند و شئ سه بعدی مدنظر را می‌سازند. این مواد می‌توانند موادی مختلفی مانند پلاستیک، سرامیک و حتی بتن باشند.
3. تخت چاپ: همان جزئی است که شئ سه بعدی روی آن چاپ می‌شود.
4. نازل بیرون‌ریز (extruder): یکی از مهم‌ترین و پیچیده‌ترین بخش پرینترهای سه بعدی، نازل‌های آن هستند. این نازل‌ها، ماده چاپ را از دستگاه خارج کرده و روی تخت چاپ می‌ریزند. خود نازل‌ها از بخش‌های پیچیده و جزئی‌تری ساخته شده‌اند.

استفاده‌های چاپ سه بعدی:

در دهه 1980میلادی از چاپ سه بعدی تنها برای تولید نمونه‌ی اولیه استفاده می‌شد اما تا سال 2019 دقت و مواد استفاده شده به قدری متفاوت شد که چاپ سه بعدی به عنوان یک تکنولوژی جدید در تولید شناخته می‌شود. هم اکنون ردپای استفاده از چاپگرهای سه بعدی در اکثر صنایع مانند صنعت غذا و دارو، معماری، خودروسازی، تجهیزات نظامی و حتی هنر دیده می‌شود. در چند سال اخیر، چاپگرهای سه بعدی بتن در صنعت ساخت و ساز توجه زیادی جلب کرده‌اند.

چاپگرهای سه بعدی بتن:

انقلاب صنعتی در سراسر دنیا با معرفی فرآیند اتوماسیون (خودکار) باعث تولید سریع‌تر و درنتیجه ارزان‌تر شد. لوازمی که پیش از انقلاب صنعتی امکان داشت تولیدشان ماه‌ها زمان بر باشد، با تولید ماشین بخار توسط جیمز وات، سریع‌تر از همیشه تولید و به بازار عرضه شدند. پس از کمتر از 200 سال از انقلاب صنعتی، هم‌اکنون شرکت تسلا در تولید ماشین به صورت کاملا اتوماتیک و بدون حضور انسان عمل می‌کند.  اما با این حال مدت‌هاست که ساخت و ساز بتنی به همان شکل سنتی و قبلی خود ادامه دارد و به اندازه‌ی سایر بخش‌های صنعتی، خودکار نشده‌است.

در بیست سال گذشته، استفاده از “بتن‌های پیش‌ساخته” در ساختمان‌ها و روسازی‌ها باعث تغییر و رشد قابل توجهی در این صنعت شده‌است اما کشورهای مختلف می‌توانند با خودکارکردن این صنعت از مزیت‌های زیادی بهره‌مند شوند. خودکارشدن صنعت ساخت و ساز باعث کاهش زمان کار و ساخت، بهبود کیفیت و کاهش اثرات زیست محیطی می‌شود. همچنین بسیاری از کشورها با معضل کمبود نیروی کار انسانی مواجه هستند که فرایند خودکارسازی می‌تواند این مشکل را نیز حل‌ کند.

همانطور که بالاتر گفته‌شد، پرینترهای سه بعدی استفاده‌های بسیار مختلفی دارند. برای مثال هم‌اکنون برای ساخت اندام‌های مصنوعی (دندان، پا و لگن و..) از چاپگرهای سه بعدی استفاده می‌شود. یکی از ویژگی‌های پرینترهای سه بعدی، قابلیت منحصربه‌فردشان در ساخت محصولات پیچیده هندسی است. به همین دلیل پیش‌بینی می‌شود که پرینترهای سه بعدی مرکز تغییرات در طراحی و ساخت در آینده شوند اما تا رسیدن به این نقطه راه طولانی‌ای در پیش است.

یکی از شرکت‌های پیشرو در زمینه‌ی پرینت سه بعدی بتن، یک شرکت چینی به نام WinSun است. هدف اصلی این شرکت این است که بتواند مصالح ساختمانی را بازیافت کند. این شرکت از اولین شرکت‌هایی است که به فناوری چاپ سه بعدی بتن دست‌یافته‌است. تاکنون در فضای این شرکت، ساختمان‌های مختلفی از ایستگاه اتوبوس گرفته تا خانه‌ با فناوری چاپ سه بعدی بتن ساخته شده‌است. شرکت WinSun ادعا می‌کند که ساخت این ساختمان‌ها با تعداد بسیار محدودی از نیروی انسانی و در مدت کمتری انجام شده‌است که بدون استفاده از چاپگرهای سه بعدی غیرممکن بود.

البته چاپ سه بعدی بتن در مراحل ابتدایی خود قرار دارد. یکی از مسائلی که هم‌اکنون مهندسان درحال حل آن هستند، ترکیب اختلاط بتن استفاده شونده در چاپ سه بعدی است. در چاپ سه بعدی بتن، به جای پلاستیک ذوب شده یا دیگر مواد، از بتن استفاده می‌شود. بتن خود از مصالح مختلف مانند سنگ‌دانه، آب و سیمان ساخته شده‌است.

متفاوت شدن درصد ترکیب این مصالح، بتن متفاوتی را تولید می‌کند. سالیان سال است که جوامع مهندسی به قوانین و روش‌های استاندارد شده‌ای برای ساخت بتن مناسب دست‌یافته‌اند اما هم‌اکنون روش استاندارد شده‌ای برای تولید بتن مناسب در چاپگرهای سه بعدی وجود ندارد. می‌دانیم که این بتن باید آنقدری روان باشد که بتواند از نازل پرینت سه بعدی خارج شود. همچنین این بتن باید به قدری سفت باشد که پس از چند لایه، روی خود فرونریزد.

جمع بندی هر آنچه باید درباره پرینترهای سه بعدی صنعت ساخت و ساز بدانید:

چاپ سه بعدی یکی از فناوری‌های جدید در عرصه مهندسی است. تا سال1980 میلادی از چاپ سه بعدی تنها برای تولید نمونه اولیه استفاده می‌شد، اما هم‌اکنون کشورهای پیشرفته، از این فناوری در صنایع مختلف استفاده می‌کنند. یکی از شرکت‌هایی که از این فناوری در صنعت ساختمان استفاده می‌کند، شرکت WinSun است. این شرکت مدعی است که در آینده صنعت ساخت و ساز به سمت بکارگیری از پرینترهای سه بعدی خواهد‌ رفت.

پرینترهای سه بعدی اجزای مختلفی دارند ازجمله: 1) قطعه کنترلگر 2) ماده‌ی چاپ 3) تخت چاپ 4) نازل بیرون‌ریز. یکی از معضلاتی که مهندسان هم‌اکنون با آن روبه‌رو هستند، چگونگی بیرون ریختن بتن از نازل است. اینکه بتن با چه ترکیبی از مصالح و با چه سرعتی از نازل خارج شود به طوری که روی خودش فرو نریزد.

به همین دلیل پرینترهای سه بعدی بتن هنوز در مراحل ابتدایی است اما این امر نه‌تنها باعث ناامیدی مهندسان نشده‌است، بلکه به فرصتی برای مهندسان تبدیل شده‌است و تلاش می‌کنند که هرچه سریع‌تر به این فناوری دست‌یابند.

منبع:

• https://pick3dprinter.com/3d-printer-parts/
• https://www.academia.edu/36511644/A_review_of_3D_concrete_printing_systems_and_materials_properties_current_status_and_future_research_prospects_Article_information?from=cover_page