در سال های اخیر اهمیت تکنولوژی پرینتر سه بعدی در صنعت ساخت و ساز افزایش یافته است و چاپگرهای سه بعدی بتن در بین معماران و شرکت های ساختمانی محبوبیت پیدا کرده اند. بعد از آب، بتن پرکاربردترین ماده در جهان است. بتن ماده کامپوزیتی است که از آب، ترکیب سیمانی و سنگدانه ها تشکیل شده است که این مواد به وفور در دسترس می باشند. بتن به تنهایی ماده ای ارزان قیمت و بسیار محبوب است. با این وجود، پرینتر های سه بعدی بتن گران هستند. این ماشین آلات که برای ساخت و ساز طراحی شده اند از ۱۸۰ هزار دلار تا بیش از ۱ میلیون دلار قیمت دارند.

چاپ سه‌بعدی بتن، شاخه‌ای از این فناوری است که به‌طور خاص برای صنعت ساخت‌وساز توسعه یافته است. این روش، که به ۳DCP (چاپ سه‌بعدی بتن) نیز شناخته می‌شود، امکان ساخت سازه‌های بتنی را به شیوه‌ای نوآورانه فراهم می‌آورد. با استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی بتن، می‌توان ساختمان‌ها و سازه‌هایی با طرح‌های پیچیده و فرم‌هایی که پیش از این تنها با هزینه‌های بالا و زمان‌بر امکان‌پذیر بود، ساخت.

این فناوری نه تنها فرایند ساخت‌وساز را تسریع بخشیده، بلکه به کاهش قابل توجه هزینه‌ها و پسماندهای ساختمانی نیز کمک کرده است. بتن به عنوان دومین ماده پرمصرف در جهان (پس از آب)، به دلیل دسترسی آسان و هزینه پایین، ماده‌ای ایده‌آل برای این نوع چاپ به شمار می‌رود. در نتیجه، چاپ سه‌بعدی بتن به عنوان روشی انقلابی در صنعت ساخت‌وساز مطرح شده است که پتانسیل تغییر دادن چشم‌اندازهای آتی این صنعت را دارد.

پرینتر سه بعدی بتن و فناوری های قدیم و جدید

چاپ سه‌بعدی در صنعت ساخت‌وساز به عنوان یکی از نوآوری‌های برجسته در دهه‌های اخیر شناخته شده است. اولین استفاده‌های از چاپ سه‌بعدی بتن در دهه 1990 میلادی آغاز شد، وقتی دانشمندان و مهندسان شروع به کاوش در امکانات این فناوری برای ایجاد ساختارهای مستحکم‌تر و پایدارتر کردند. با پیشرفت تکنولوژی، استفاده از چاپ سه‌بعدی در ساختمان‌سازی از ایده‌آل به واقعیت تبدیل شده است.

 چاپگرهای سه‌بعدی بتنی امروزی با تکنولوژی‌های پیشرفته‌ای همراه هستند که امکان چاپ سازه‌های بزرگ‌مقیاس با دقت بالا و سرعت چشمگیر را فراهم می‌آورند. این دستگاه‌ها به‌طور معمول از سیستم‌های روباتیک و نرم‌افزارهای پیشرفته برای طراحی و چاپ استفاده می‌کنند که این امکان را می‌دهد تا پروژه‌ها با کمترین هدررفت مواد و انرژی انجام شوند.

در سال‌های اخیر، پروژه‌های بزرگ و نوآورانه‌ای در سراسر جهان با استفاده از چاپ سه‌بعدی بتن انجام شده است. به عنوان مثال، در اروپا، چندین خانه و سازه‌ی عمومی به این شیوه ساخته شده‌اند که نشان‌دهنده‌ی پتانسیل چاپ سه‌بعدی در بهبود فرآیندهای ساخت‌وساز است. همچنین، در کشورهایی مانند چین و امارات، بزرگ‌ترین پروژه‌های چاپ سه‌بعدی بتنی به اجرا درآمده که شامل ساختمان‌های تجاری و مسکونی بزرگ‌مقیاس است. این پروژه‌ها نه تنها به لحاظ فنی و مهندسی اهمیت دارند، بلکه نشان‌دهنده‌ی تغییر پارادایم در نگرش به ساخت‌وساز و پایداری محیط زیستی هستند.

فناوری‌های کلیدی پرینتر سه بعدی بتن و نحوه کارکرد آن‌ها

توضیح دقیق در مورد چاپگرهای سه‌بعدی بتن (گانتری و بازوی رباتیک)

چاپگرهای سه‌بعدی بتن به دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند: گانتری و بازوی رباتیک. چاپگرهای گانتری دارای ساختاری شبیه به یک پل هستند که از دو طرف توسط ریل‌ها و پایه‌های عمودی پشتیبانی می‌شوند و دستگاه چاپ در بین این سازه‌ها حرکت می‌کند. این نوع چاپگرها برای پروژه‌های بزرگ مانند ساختمان‌سازی مناسب هستند زیرا می‌توانند مساحت زیادی را پوشش دهند.

چاپگرهای دارای بازوی رباتیک، که به‌طور معمول فناوری پیچیده‌تری دارند، از بازوهای رباتیک برای حرکت و دقت بیشتر در چاپ استفاده می‌کنند. این نوع چاپگرها به دلیل انعطاف‌پذیری و توانایی اجرای طرح‌های بسیار دقیق و پیچیده، برای پروژه‌هایی که نیاز به جزئیات بیشتری دارند، مناسب هستند. بازوی رباتیک قادر است در شش محور مختلف حرکت کند، که این امر امکان چاپ سازه‌های سه‌بعدی با اشکال غیرمتعارف را فراهم می‌آورد.

مواد مورد استفاده در چاپ سه بعدی بتن

 مواد استفاده شده در چاپ سه‌بعدی بتن عمدتاً شامل بتن استاندارد است که از آب، سیمان و سنگدانه تشکیل شده است. اما با پیشرفت فناوری، ترکیب‌های جدید و نوآورانه نیز به کار رفته‌اند که شامل افزودنی‌های خاص برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی بتن می‌شوند. این ترکیب‌ها می‌توانند شامل الیاف‌های تقویتی، پلیمرها و سایر مواد افزودنی باشند که به بهبود دوام، کاهش وزن و افزایش پایداری بتن کمک می‌کنند.

مزایای پرینت سه بعدی بتن

با وجود قیمت بالای پرینتر های سه بعدی بتن، استفاده از این چاپگر ها به جای روش های تولیدی سنتی مزایای مختلفی دارد که شامل سرعت بیشتر، هزینه کمتر و افزایش ایمنی می باشد. پرینتر های سه بعدی بتن نه تنها تولید پسماند را به حداقل می رسانند، بلکه تعداد کارکنان فعال مورد نیاز در محل و همچنین زنجیره های تأمین را به میزان قابل توجهی کاهش می دهند. علاوه بر این، امکان ساخت سازه های پیچیده تر و انعطاف پذیرتری با استفاده از این فناوری فراهم می شود.

سرعت و کارآمدی در ساخت‌وساز پریتتر سه‌بعدی بتن امکان ساخت سریع‌تر سازه‌ها را فراهم می‌آورد، چرا که می‌تواند در طی چند ساعت تا چند روز ساختمان‌های کاملی را بنا کند. این فناوری به دلیل حداقل نیاز به نیروی انسانی و اتوماتیک بودن فرایند، کارآمدی فراوانی دارد.

کاهش پسماند و تأثیرات زیست‌محیطی فناوری پرینتر سه بعدی بتن با کاهش میزان ضایعات ناشی از ساخت‌وساز و استفاده بهینه از مواد، به کاهش تأثیرات منفی بر محیط زیست کمک می‌کند. استفاده دقیق از مواد به معنای کاهش پسماندهای ساختمانی و کمک به حفظ منابع طبیعی است.

صرفه‌جویی در هزینه و بهینه‌سازی مواد چاپ سه‌بعدی امکان استفاده مؤثرتر از مواد را فراهم می‌آورد، که نتیجه آن کاهش هزینه‌های مستقیم مواد و هزینه‌های کلی پروژه است. این فناوری همچنین با کاهش نیاز به نیروی کار سنتی، هزینه‌های نیروی انسانی را نیز پایین می‌آورد.

توانایی در ایجاد طرح‌های پیچیده و سفارشی پرینت سه‌بعدی قادر است طرح‌های بسیار پیچیده و سفارشی را با دقت بالا ایجاد کند که در روش‌های سنتی ساختمان‌سازی به سختی یا با هزینه بالا امکان‌پذیر است.

انواع پرینتر سه بعدی بتن

عملکرد یک پرینتر سه بعدی بتن استاندارد کاملاً مشابه پرینتر سه بعدی FDM استاندارد است که این موضوع در درجه اول به این دلیل است که هر دو این فناوری ها مبتنی بر اکستروژن مواد می باشند. در نتیجه فرایندهای کاملاً مشابهی دارند: ابتدا یک مدل سه بعدی دیجیتال با استفاده از یک نرم افزار مدلسازی سه بعدی ایجاد می شود. سپس مدل سه بعدی در نرم افزار لایه بندی شده و به G-Code ترجمه می شود. سپس G-Code  هد پرینت که مواد پمپ شده از میکسر سیمان را به صورت لایه لایه تزریق می کند را تا تشکیل ساختار نهایی هدایت می کند. یک چاپگر سه بعدی بتن معمولی که برای ساخت قطعات به روش افزایشی با تزریق مواد طراحی شده است، شامل یک بازوی رباتیکی می باشد که یک انتهای آن به هد پرینت و دیگری به سیستم گانتری یا بازوی رباتیکی جرثقیل متصل است. بسته به نوع چاپگر سه بعدی بتن، طراحی، قابلیت ها و روند کار متفاوت است که هرکدام بسته به کاربرد مورد نظر مزایا و معایب مشخصی دارند. حجم ساخت، دقت پرینت سه بعدی و بازده یک پرینتر سه بعدی بتن بسته به سیستم، فناوری، تولید کننده و کاربرد های مورد نظر متفاوت خواهد بود.

 

پرینتر های سه بعدی بتن  Gantry

اصطلاح Gantry از ساختار گانتری که از پرینتر سه بعدی پشتیبانی می کند می آید. در حالی که این نوع پرینتر های سه بعدی بتن یک انتخاب محبوب برای پروژه های ساختمانی تجاری هستند، این فناوری به ندرت برای پروژه های کوچکتر مورد استفاده قرار می گیرد که این امر بیشتر به دلیل اندازه بزرگ، قابلیت حمل محدود و همچنین نیروی فنی مورد نیاز برای راه اندازی آن است. این نوع چاپگرهای سه بعدی بتن معمولاً بر روی سیستم مختصات کارتزین متشکل از محورهایx ،y  و z کار می کنند. این محورها توسط ریل ها و تیرهای سازه پشتیبانی کننده تعریف می شوند. محور x با طول ریل هایی که چاپگر را به جلو و عقب حرکت می دهند ارتباط دارد، در حالی که محور y با طول ریل حامل هد پرینت و اتصال دهنده ستون ها مرتبط است.

پرینتر های سه بعدی بتن بازوی رباتیکی

یک پرینتر سه بعدی بتن ماشینی یا بازوی رباتیکی توسط سازه ای شبیه جرثقیل پشتیبانی می شود که به طور معمول در ۶ محور حرکت می کند. این به آن معناست که امکان تولید هندسه های پیچیده تر و قطعات با دقت بیشتر را در مقایسه با پرینتر های سه بعدی بتن گانتری فراهم می سازد. همچنین این نوع پرینتر های سه بعدی بتن مزایایی شامل افزایش قابلیت حمل و جمع و جور بودن را ارائه می دهند و به همین دلیل تنظیم و راه اندازی آنها آسانتر است. در گذشته این پرینتر ها حجم ساخت محدودی داشتند و بنابراین محدود به ساخت سازه های کوچکتر بوده اند اما طی پیشرفت های اخیر، این پرینتر ها حجم ساخت بزرگتری دارند و با پرینتر های گانتری قابل رقابت هستند. با این حال قیمت این پرینترها در مقایسه با پرینترهای گانتری گرانتر می باشد.

علیرغم تصور رایج غلط مبنی بر این که ساختمان ها را می توان به طور کامل فقط با استفاده از پرینتر های سه بعدی بتن ساخت، معمولاً فقط دیوارها و پایه ها به صورت افزایشی ساخته می شوند. با این وجود، پرینت سه بعدی بتن تأثیر بسزایی در صنعت ساختمان سازی داشته است و در دهه گذشته چندین شرکت ساختمانی متخصص در پرینت سه بعدی بتن ظهور کرده اند. به طور مثال یک شرکت دانمارکی با استفاده از پرینتر سه بعدی بتن اولین ساختمان مسکونی چاپ سه بعدی شده در آلمان را ساخته است و در حال حاضر پروژه ساخت یک ساختمان مسکونی سه طبقه به مساحت ۳۸۰ متر مربع را آغاز کرده است. پرینترهای سه بعدی بتن در برخی از کشور در جهان از جمله آلمان، بلژیک، دبی، مراکش و فرانسه و … مورد استفاده قرار گرفته اند.

چالش‌ها و محدودیت‌های پرینتر سه بعدی بتن

با وجود پیشرفت‌ها، چاپ سه‌بعدی بتن همچنان با چالش‌هایی مانند محدودیت‌های فنی در دقت و مقاومت مواد روبرو است. استفاده از مواد و ترکیبات خاص که برای چاپ سه‌بعدی مناسب باشند، همچنان یک چالش است، زیرا نیاز به توسعه مواد جدیدی دارد که هم با دستگاه‌ها سازگار باشند و هم استانداردهای ساختمان‌سازی را رعایت کنند. همچنین پذیرش گسترده این تکنولوژی در سطح جهانی با چالش‌های قانونی و استانداردهای متفاوت ساختمان‌سازی در کشورهای مختلف روبرو است، که می‌تواند پیاده‌سازی گسترده آن را محدود کند.

سخن پایانی

پیشرفت‌های آتی در فناوری چاپگرهای سه‌بعدی بتن به احتمال زیاد شامل بهبود کارایی، دقت و انعطاف‌پذیری خواهد بود. توسعه مواد جدیدی که می‌توانند دوام بیشتری داشته باشند و در عین حال سازگار با محیط زیست باشند، از جمله محورهای اصلی تحقیق در این زمینه خواهد بود.

هوش مصنوعی و خودکارسازی نقش مهمی در افزایش بهره‌وری و کاهش خطاها در چاپ سه‌بعدی بتن ایفا می‌کنند. استفاده از AI برای بهینه‌سازی طرح‌ها و مدیریت دقیق‌تر فرآیند چاپ می‌تواند به ایجاد سازه‌های پیچیده‌تر با هزینه کمتر کمک کند.

با توجه به چالش‌های موجود در ساخت‌وساز در محیط‌های دوردست مانند ماه، چاپ سه‌بعدی بتن می‌تواند راه‌حل‌های نوآورانه‌ای ارائه دهد. توسعه پایگاه‌های فضایی و استفاده از مواد محلی برای چاپ سازه‌ها در فضا، می‌تواند مرزهای جدیدی را در ساخت‌وساز فتح کند.

چاپ سه‌بعدی بتن قادر است صنعت ساخت‌وساز را دگرگون سازد، با کاهش هزینه‌ها و زمان ساخت، و ایجاد فرصت‌های شغلی جدید در حوزه‌های فناوری و مهندسی.  چاپ سه‌بعدی بتن می‌تواند به سرعت به بحران مسکن پاسخ دهد، با توانایی ساخت خانه‌های مقرون‌به‌صرفه و پایدار در مدت زمان کوتاهی. این فناوری برای ساخت پناهگاه‌های اضطراری در مناطق بحران‌زده نیز می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

چاپ سه‌بعدی بتن به عنوان یکی از تحولات بزرگ در صنعت ساخت‌وساز شناخته شده است که می‌تواند به طور قابل توجهی بر سرعت، هزینه و پایداری ساخت‌وساز تأثیر بگذارد. با پیشرفت‌های ادامه‌دار در این فناوری، انتظار می‌رود که چاپ سه‌بعدی بتن به طور فزاینده‌ای به عنوان یک جزء استاندارد در صنعت ساخت‌وساز جهانی مورد استفاده قرار گیرد و تأثیرات چشمگیری در بهبود کیفیت زندگی و محیط زیست داشته باشد.

منبع: https://www.3dnatives.com/

در صورت تمایل میتوانید فایل PDF این مقاله را در قسمت زیر دانلود و با ذکر منبع مورد استفاده قرار دهید.