چاپ سه بعدی که به عنوان تولید افزودنی شناخته میشود یک فناوری طراحی است، که به ما اجازه ساخت اشیاء سه بعدی با طراحی دیجیتالی به طور خودکار به صورت لایه به لایه از طریق کنترل رباتیک را میدهد. با این وجود که میتوان برای ساخت قطعه های سفارشی با ساختارهای پیچیده از چاپ سه بعدی استفاده کرد، اما چاپ سه بعدی که به طور معمول استفاده میشود، تنها توانایی ساخت اشیاء از یک ماده را دارد.
امکان چاپ سه بعدی بتن با مزیت هایی همچون کاهش زمان، هزینه ونقص پروژه، سازگاری با محیط زیست و معماری منعطف از سال 2006 مورد بررسی قرار گرفت. با این وجود که بسیار کار دشواری به نظر میرسید برای بتن که یکی از پیچیده ترین محصولات شیمیایی روی زمین است، سال 2011 این ایده تکمیل و قطعات بتنی به مرحله چاپ رسید.
بتن از آب، ترکیب سیمانی و سنگدانه (ذرات ریز و درشت ماسه، شن) تشکیل شده است که همه آنها به وفور وجود دارند. در نتیجه بتن یک ماده ارزان و بسیار محبوب است ولی با این حال چاپگرهای سه بعدی بتنی بسیار گران هستند. با این حال چاپگرهای بتنی مزیت‌هایی نسبت به روش‌های ساخت و ساز سنتی دارند. یک از پارامترهایی که نقش مهمی در کیفیت بتن ایجاد میکند نسبت آب به سیمان است. نسبت آب به سیمان باید به صورتی در نظر گرفته شود که روانی آن به حد مطلوبی برسد تا استفاده از آن در محیط کارگاه به راحتی صورت پذیرد. در این روش میتوان از نسبت کم تری از آب به سیمان استفاده کرد.
فرایند کار چاپگر سه بعدی بتن چگونه است؟
چاپ بتن سه بعدی (3DCP) در 10 سال گذشته در حال توسعه بوده و بیش از 30 گروه در سراسر جهان مشغول تحقیق بر این موضوع هستند.
فرایند کار یک چاپگر سه بعدی بتنی بسیار شبیه به یک چاپگر استاندارد است، به این ترتیب که ابتدا یک مدل سه بعدی دیجیتالی با استفاده از یک نرم افزار مدلسازی سه بعدی ایجاد میشود. مدل برش داده شده و مواد پمپ شده از میکسر سیمان را به صورت لایه‌ای تا تولید قطعه نهایی ذخیره میکند.
در این فرآیند هم مانند اکثر فرایندهای در حال توسعه از اکستروژن استفاده میشود. معمولا از طریق نازلی که قطر دهانه آن 50 ملیمتر تا 60 میلیمتر است یک رشته پیوسته روی روباتیک نصب شده و مواد را در طول مراحل ساخت پمپاژ میکند. شکل نازلها متفاوت است اما اکثرا آنها گرد و یا مستطیل هستند. همچنین مخلوط بتن بهینه و مطلوب به طور مستقیم به دستگاه و نازل مورد استفاده مرتبط است. خارج کردن مخلوط از طریق نازل بدون تغییر مقطع بسیار قابل توجه است.
چاپگر سه بعدی به گونه ای طراحی شده است که قطعات را با اکستروژن مواد تشکیل میدهد. دستگاه چاپگر شامل یک بازوی رباتیک است که یک سر آن به سر چاپ متصل است و سر دیگر آن به یک بازوی رباتیک (چیزی به شکل جرثقیل) متصل است.
این سیستم با قرار دادن دقیق مواد و جامد کردن حجم خاصی در لایه‌های متوالی نیاز به انواع قالب بتن معمولی را برطرف میکند.
مسائلی که در چاپ سه بعدی بتن ایجاد میشود چیست؟
تحقیقات نشان میدهد روش چاپ سه بعدی بتن مراقبت فوق العاده‌ای در تهیه و فرمول بندی مواد نیاز دارد.
یکی از مشکلاتی که میتواند ایجاد شود جداسازی ذرات از هم در داخل شیلنگ است، که میتواند منجر به اختلاط ناکافی قبل از پمپاژ شود.
از پارامترهاییی که در ساخت موفق باید به آنها بسیار توجه کرد میتوان به وابستگی خواص مواد به دستگاه فرایند، ایجاد دستورالعملهای ماشین از یک الگوریتم مشخص برای ایجاد شکل هندسی مورد نظر، موادی که از طریق نازل جریان یافته و بیرون زده با لایه قبلی بپیوندد و تحت فشار هیدرواستاتیک ناشی از رسوب لایه بعدی شکی خود را حفظ کند. برای چاپ یک جزء باید مسیر محددی را تکرار کند. طول مسیر اکستروژن و سرعت قرار دادن مواد از عوامل کلیدی هستند که در سرعت ساخت قطعه و هم در چگونگی ایجاد اتصال لایه‌ها تاثیر میگذارد.
از دیگر مسائلی که در این روش ایجاد شده و مورد بررسی قرار گرفته است میتوان گفت با بیشتر شدن ارتفاع، لایه‌ها تحت فشار وزن خود فشرده می‌شوند. باید ارتفاع لایه را در هنگام چاپ حفظ کرد. وقتی فاصله بین نازل و سطح کار افزایش مییابد باعث تغییر شکل رشته میشود و چسبندگی لایه‌ها را تحت تاثیر قرار میدهد.
مخلوط بتنی در این فناوری باید چه ویژگی‌هایی داشته باشد؟
مخلوط بتنی استفاده شده در سازه‌ها معمولا با درصد بالایی از سنگدانه‌های درشت همراه هست که برای این روش بسیار نامناسب است. کم کردن سنگدانه ها و ارزیابی بتن تازه و سخت شده در مواردی از جمله جریان، زمان گیرش، مقاومت فشاری و خمشی و … طبق روش‌های استاندارد مناسب بودن بتن را مشخص میکند.
مزیت های احداث ساختمان با چاپگر سه بعدی بتن چیست؟
از سری ساخت و سازهای نوآورانه و چالش برانگیز با فناوری جدید میتوان به ایجاد اولین ساختمانهای مسکونی از طریق چاپ سه بعدی اشاره کرد، که پیشرفت آن میتواند باعث تحولی در صنعت ساختمان شود. چاپ سه بعدی میتواند هزینه خانه را برای مردم کاهش دهد. در بحث ایمنی هم باید گفت انقدر ایمن هستند که بتوانند فشارهای اضافی زیادی را تحمل کنند. در ساخت این سازه‌ها از چاپگر بتنی و بتنی با درصد خلوص بالا استفاده میشود.
صنعت ساخت و ساز بیشترین تاثیرات مخرب زیست محیطی را در سطح جهان تولید میکند، مصرف بیش از حد از انرژی و هرینه بالای احداث ساختمان‌ها باعث ایجاد روش‌های نوین ساخت و ساز شده است. طراحی و ساخت چاپگر بتنی، تجزیه و تحلیل معماری و سازه، مدلسازی، آزمایش مصالح از جمله کارهایی بوده است که در روش چاپ سه بعدی انجام شده است.
در ویکی‌پدیا بیشتر بخوانید: Construction 3D printing
