الخرسانة المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد: لا تزال في مهدها

هناك الكثير من الضجة التي تحيط بالطباعة ثلاثية الأبعاد في مجال الإنشاءات. على نطاق واسع، لا تزال الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء في مرحلة مبكرة جداً من التطور. الخرسانة مادة صعبة للغاية للطباعة ثلاثية الأبعاد. تعمل طابعة البناء ثلاثية الأبعاد عن طريق ترسيب مواد مثل الخرسانة، طبقة تلو الأخرى، من خلال فوهة. لذلك، أثناء الطباعة، يجب أن تكون الخرسانة سائلة حتى تتدفق من الفوهة. بعد الطباعة، يجب أن تفقد الخرسانة جزءًا كبيرًا من سيولتها بسرعة للحفاظ على الشكل المطبوع. ومع ذلك، لا ينبغي أن تتصلب الخرسانة بسرعة كبيرة لإعطاء الطبقات وقتًا للالتصاق ببعضها البعض. إذا كانت الطبقات موضوعة فوق الطبقات الأخرى دون أي اتصال قوي بينها، سينتج عن ذلك بنية ضعيفة دون أي قوة شد. كل هذا يعني أنه لا يمكننا استخدام الخرسانة العادية في الطباعة ثلاثية الأبعاد، بل ستكون هناك حاجة دائمًا إلى نوع خاص من الخرسانة - دائمًا مع أنواع مختلفة من المواد المضافة.

علينا أيضًا أن نأخذ في الاعتبار مدى تعقيد الهياكل التي نبنيها. فالطباعة ثلاثية الأبعاد هي الأنسب للهياكل البسيطة. على سبيل المثال، هياكل الجدران في شمال أوروبا معقدة نوعاً ما واستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في تلك الهياكل يمثل تحدياً إلى حد ما. هيكل الجدار العازل يمثل بالفعل تحدياً للطباعة ثلاثية الأبعاد: لديك ثلاث طبقات في الهيكل - الجدار الداخلي وطبقة من العزل والجدار الخارجي. بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما يكون لديك مكونات أسلاك كهربائية مختلفة مجمعة داخل هيكل الجدار. طباعة هيكل ثلاثي الطبقات وتجميع المكونات الكهربائية أثناء عملية الطباعة ليست مهمة سهلة. يجب إعادة تصميم هيكل الجدار بالكامل للطباعة ثلاثية الأبعاد.

السرعة الحالية للطابعات ثلاثية الأبعاد لا يمكن مقارنتها بالمصانع الحديثة مسبقة الصب. كما أن جودة الخرسانة مسبقة الصب أفضل بكثير من الطباعة ثلاثية الأبعاد. تسمح الطباعة ثلاثية الأبعاد بتصنيع الأشكال المعقدة، ولكن في حالة الهياكل الخرسانية النموذجية، مثل الجدران، فإن كفاءة الطباعة ثلاثية الأبعاد بعيدة كل البعد عن الكفاءة التي تحققها تكنولوجيا الخرسانة مسبقة الصب الحالية.

على الرغم من محدوديتها الحالية، علينا أن نكون منفتحين على الإمكانيات التي توفرها الطباعة ثلاثية الأبعاد. يمكن النظر إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد على أنها أحد أساليب زيادة أتمتة البناء. إذا نظرنا إلى الأمر بموضوعية، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء ليست بديهية للغاية. ستكون هناك حاجة إلى المزيد والمزيد من الأتمتة في البناء. يمكن أن تكون الطباعة ثلاثية الأبعاد أداة واحدة للمساعدة في تطوير الأتمتة في البناء، ولكنها بالتأكيد ليست الأداة الوحيدة.

علينا أن نضع في اعتبارنا أن إحدى المزايا الرئيسية للخرسانة هي أنها مادة يمكنك صبها في أشكال وأشكال مختلفة ومعقدة. كما تتوفر الآن معالجات مختلفة للأسطح الخرسانية. يعتمد البناء الخرساني بشكل أساسي على هذه المرونة في الخرسانة المصبوبة. ومع الطباعة ثلاثية الأبعاد سنغير هذا الأمر تماماً. من المؤكد أن الطباعة ثلاثية الأبعاد تمنحنا إمكانيات جديدة، ولكننا نفقد أيضاً بعض مزايا استخدام الخرسانة.

جوني بونكي
أستاذ الممارسة (تكنولوجيا الخرسانة)
جامعة آلتو

يجب أن ننظر إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء كتقنية مثيرة للاهتمام للغاية تنطوي على بعض الإمكانات في المستقبل. من من منظور السلامة، هناك لوائح تنظيمية تحكم البناء من أي نوع، وهناك بالطبع متطلبات لإضافة قضبان مقواة للدعم في الهياكل ثلاثية الأبعاد. ولأن هذه التكنولوجيا جديدة جداً والممارسات التنظيمية في تغير مستمر، فإن تلبية هذه اللوائح قد تشكل تحدياً لتكنولوجيا ناشئة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد. لكنني لا أعتقد أن المخاوف بشأن الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد تتمحور حول السلامة.

تواجه الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة نفس المشكلات التي تواجهها الصناعات الأخرى التي تستخدم هذه التقنية. استخدام القوالب لصنع الأجزاء من خلال الصب سيكون أسرع بكثير. مع الطباعة ثلاثية الأبعاد، عليك دائمًا الانتظار للتأكد من قدرة الطبقة السابقة على دعم الهيكل قبل إضافة الطبقة التالية.

تتمثل إحدى المزايا التي يمكن أن تقدمها الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد مقارنةً بالبناء التقليدي في مدى سهولة دمج التكنولوجيا الذكية مثل أجهزة الاستشعار، على سبيل المثال، مما يسهل دمجها في قالب المدينة الذكية. من هذا المنظور، من هذا المنظور، من الأصعب بكثير تعديل المنازل القائمة المصنوعة من خلال تقنيات البناء التقليدية.

يستغرق تطوير تقنيات جديدة وقتاً طويلاً. إنها مسألة تجربة واكتشاف التفاصيل ومحاولة جعل جميع المتغيرات المختلفة تعمل. إن الطباعة ثلاثية الأبعاد للهياكل الخرسانية هي شيء من المحتمل أن يصبح أكثر انتشارًا. أما الشكل الذي ستتخذه في صناعة البناء فهو أمر لا يمكننا التنبؤ به في الوقت الحالي.

السؤال الكبير، بالطبع، هو هل يمكنك جعلها مجدية مالياً؟ هل هذه التكنولوجيا شيء سيهتم العملاء بدفع علاوة على المنازل المطبوعة ثلاثية الأبعاد، على سبيل المثال، بدلاً من المنازل التي تم بناؤها باستخدام طرق أخرى؟ هل ستكون تكلفة الحصول عليها تنافسية أو حتى قابلة للمقارنة مع ما هو معروض في السوق؟ هناك طرق أخرى لتحقيق نتائج مماثلة، وهذه الخيارات أقل تكلفة وأكثر سهولة في صناعة البناء والتشييد.

جوني بارتانين
رئيس قسم (طريقة الإنتاج المتقدمة)
قسم الهندسة الميكانيكية
جامعة آلتو

هناك شركتان في الولايات المتحدة وأوروبا تقولان إنهما شركتان تعملان في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة، ولكنهما لم تصنع في العامين أو الثلاثة أعوام الماضية سوى هياكل صغيرة جداً مثل منزل عائلي. إحدى الشركات الروسية صنعت مبنى من ثلاثة طوابق في دبي. وهناك أيضاً شركة في إستونيا على وشك بناء منزل مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد ساعدناهم في تحويله إلى حقيقة واقعة، ولكن المنتج النهائي لم يرَ النور بعد.

البناء صناعة منظمة للغاية وأحد الأسباب التي تمنع الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد من أن تصبح متاحة تجارياً هو جميع اللوائح والوقت الذي يستغرقه الحصول على الأذونات. كما أن الخرسانة المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد أغلى من مواد الخرسانة التقليدية بسبب المواد المضافة اللازمة للتأكد من أنها ذات قوام مناسب.

إلا أن التكنولوجيا مستمرة في التطور. عندما يقومون بطباعة جدار ثلاثي الأبعاد، فإنهم يجعلونه مثل الساندويتش مع طبقتين فرعيتين بحيث يكون هناك مساحة للأنابيب والتهوية وغيرها. وفي زيورخ، تمكنوا من بناء منزل من ثلاثة طوابق باستخدام تقنيات مختلفة. لقد اخترعوا شيئاً يسمى "البلاطة الذكية" التي تحتوي على جميع عناصر التدفئة داخل البلاطة، لكنهم استخدموا قوالب مطبوعة ثلاثية الأبعاد باهظة الثمن لتحقيق ذلك. كان مشروعاً تجريبياً لإثبات إمكانية نجاح هذا المفهوم.

تقول معظم الشركات العاملة في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء بالطبع إنها تقنية أفضل من تقنية ما قبل الصب، ولكن حتى الآن، لم تُظهر هذه الشركات دليلًا على ذلك حتى الآن.

أشيش موهيتي
مرشح للدكتوراه
قسم الهندسة الميكانيكية
جامعة آلتو

التكنولوجيا الحالية المستخدمة في البناء هي صب الخرسانة. ولجعل ذلك مجدياً من الناحية المالية، عليك أن تجعل الهياكل بسيطة وموحدة. إذا لم تفعل ذلك فإن التكلفة سترتفع لأنك ستضطر إلى صنع وتخصيص قوالب مختلفة. وتكمن المشكلة في أن هذا لا يؤدي فقط إلى إنشاء عناصر غير جذابة بصرياً، بل إن الهياكل البسيطة تستخدم الكثير من الخرسانة. مع الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكننا خفض حوالي 50 في المائة من الخرسانة المستخدمة من خلال التركيز على مكان تحمل الحائط، على سبيل المثال، للحمل. يمكنني طباعة صفوف لصنع بلاطة واستخدام المواد فقط في تلك الأماكن التي أحتاج إليها بالفعل. ومع ذلك، هذا يعني أننا بحاجة إلى تطوير منهجيات تصميم جديدة في ذلك الوقت أيضًا للاستفادة من التكنولوجيا الجديدة. وللأسف هذا يستغرق وقتاً طويلاً.

تركز الصناعة على المواد المتاحة حاليًا. وأعتقد أنه إذا كنت ستغير شيئًا ما، فمن الجيد أن تنظر إليه من منظور مجتمعي ومستدام. لقد رأيت فرصة سانحة عند العمل مع الخرسانة الرقمية: الجميع يدعمون تغيير تركيبة الخرسانة لأن الطباعة ثلاثية الأبعاد لا ينظر إليها على أنها تهديد من قبل صناعة البناء التقليدية.

أعتقد أن هناك أيضاً الكثير من الإمكانيات التي توفرها الطباعة ثلاثية الأبعاد لصنع المزيد من المواد الذكية. لماذا لا نربط المواد الموصلة للكهرباء في الخرسانة حتى لا نضطر إلى وضع أسلاك في هياكلنا الخرسانية بعد الآن؟ باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكنك إضافة سنتيمتر واحد، وإجراء تغييرات في المواد، وجعلها تربط الكهرباء في المكان الذي تريده بالضبط، وجعل الخرسانة شفافة في المكان الذي تريده. يتعلق الأمر بدمج الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد مع التكنولوجيا الذكية لتفيدنا كمجتمع.

إحدى العقبات هي الجدوى الاقتصادية. لن يتم اعتماد تكنولوجيا مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع إذا لم تكن هناك فائدة اقتصادية واضحة في وقت ما. لذلك ربما يمكن للمصنعين النظر في توسيع نموذج أعمالهم بحيث لا يتم الحكم على البناء على أساس سعر المنزل أو الهيكل الذي يتم بناؤه فحسب، بل أيضًا على تأثيره على نظامنا البيئي واستدامته.

ومع ذلك، هناك فرق كبير في الطباعة ثلاثية الأبعاد لجسر مقابل منزل. لقد أعلنا عن مشروع لبناء منازل مطبوعة ثلاثية الأبعاد في آيندهوفن منذ عامين ونصف ولم يتم بناء أول منزل حتى الآن. ويتضح التعقيد بمجرد مقارنته بأول جسر مطبوع. تم افتتاح الجسر الأول في غضون نصف عام بعد بدء المشروع.

لقد تعلمنا أن الأمر صعب للغاية لأنه عند بناء منزل، هناك أنظمة معقدة - التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والكهرباء والاتصال بالإنترنت - يجب أن تأخذها في الاعتبار. لقد استغرقنا وقتاً طويلاً لمعرفة كيفية القيام بذلك، وأعتقد أن الأمر سيستغرق سنوات عديدة أخرى قبل أن نتمكن من طباعة المنازل أو المباني على نطاق أوسع. أما الجسور فهي أكثر سهولة في الطباعة ثلاثية الأبعاد، لأنها تحتوي على تفاصيل أقل.

ثيو ساليه
عميد قسم البيئة العمرانية
أستاذ متفرغ للتصميم الإنشائي / الهياكل الخرسانية
جامعة أيندهوفن

الطباعة ثلاثية الأبعاد هي نظام إنتاج مثير للاهتمام للغاية نتابعه عن كثب. وهي تُستخدم بالفعل في العديد من القطاعات، مثل إنتاج الصلب والبلاستيك وفي مجال الطيران، وخاصة في تصنيع أجزاء الطائرات. ومع ذلك، فهي لا تُستخدم على نطاق واسع في صناعة البناء والتشييد.

كما لاحظ الخبراء، لا يزال هناك الكثير من التحديات التي يجب حلها قبل أن تترك الطباعة ثلاثية الأبعاد بصمتها في مجال البناء. أعتقد أنها مستقبل أعمالنا - إنها مجرد مسألة كيف ومتى. في الوقت الحالي، تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد في الغالب لإنشاء عناصر زخرفية. في بعض السفن السياحية، يتم استخدام عناصر مطبوعة ثلاثية الأبعاد مصنوعة من البلاستيك وألياف السليلوز كجزء من التصميم الداخلي.

على الرغم من عدم استخدام الخرسانة على نطاق واسع في الطباعة ثلاثية الأبعاد حتى الآن، إلا أنها توفر الكثير من الفوائد: فهي مقاومة للحريق وقوية ويمكنها تحمل العناصر. وهذا ما يجعلها المادة المثالية للعناصر الخارجية المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، مثل التماثيل أو الأعمدة، خاصة وأن الناس يبحثون عن شيء يتجاوز الهياكل الأساسية مسبقة الصب التي تشبه الصناديق.

وبالطبع يمكن صب العناصر الزخرفية في الخرسانة؛ ولكن هذا يتطلب عمال تشكيل من الحرفيين. يتمثل أحد التطبيقات العملية للطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء في صنع القوالب. في المشاريع المعقدة مسبقة الصب، يمثل إنشاء القالب تحديًا دائمًا لأنه يتطلب الكثير من العمل والدقة. إذا كانت القوالب مطبوعة ثلاثية الأبعاد، تصبح العملية أسهل وتتطلب عمالة أقل.

تم إجراء اختبارات على الطباعة ثلاثية الأبعاد لهياكل كاملة باستخدام الخرسانة مثل المساكن العائلية الواحدة. من الجيد إجراء هذه الاختبارات، ولكن من الواضح أيضًا أن الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد لا يزال أمامها طريق طويل. هناك تحديات الجودة والتحديات التقنية التي يجب التغلب عليها، خاصةً عندما نبدأ في التفكير في الطباعة ثلاثية الأبعاد للهياكل الكبيرة مثل المباني متعددة الطوابق. كما يواجه البناء بالخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد تحدياً اقتصادياً. فالإضافات اللازمة لجعل الخرسانة تعمل بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باهظة الثمن.

إن البناء الذي يعتمد بشكل كامل على الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد - حيث يتم دمج جميع أنظمة التسليح والتكييف والصرف الصحي والتبريد والتكييف والتهوية والتكييف وليس وضعها بشكل منفصل كما هو الحال اليوم - ليس ممكناً في الوقت الحالي. ربما في المستقبل، عندما نطوّر تكنولوجيا الخرسانة إلى المستوى المناسب، ستكون الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد خياراً قابلاً للتطبيق.

بيتري لايتينن
نائب الرئيس للمشاريع والخدمات
إليماتيك