در سال‌های اخیر نقش تولید مواد افزودنی در صنعت ساختوساز اهمیت زیادی پیدا کرده است. به‌طور خاص، پرینترهای سه‌بعدی بتنی به‌طور مداوم در میان معماران و شرکت‌های ساختمانی محبوبیت پیدا کرده‌اند. بتن پس از آب پرمصرف‌ترین ماده در جهان است. بتن یک ماده مرکب است که از آب، ترکیب سیمانی و سنگدانه (ذرات ریز و درشت ماسه، شن، سنگ خرد شده و مواد مشابه) تشکیل شده است که همگی به وفور پیدا می‌شوند. به‌این‌ترتیب بتن یک ماده ارزان قیمت و در نتیجه بسیار محبوب است. با‌این‌حال، پرینترهای سه‌بعدی بتنی گران هستند. قیمت ماشین‌هایی که برای ساختوساز طراحی شده‌اند از حدود 180 هزار دلار تا بیش از 1 میلیون دلار می‌باشد. با این وجود، استفاده از چاپگر سه‌بعدی بتنی به‌جای روش‌های تولید سنتی، مزایای متعددی دارد. سریع‌تر، ارزان‌تر، ایمن‌تر و کارآمدتر است.
چاپگر سه‌بعدی بتنی نه تنها حداقل ضایعات را تولید می‌کند، بلکه حضور تعداد افراد مورد نیاز در محل و همچنین طول زنجیره تامین را به‌میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. علاوه‌بر این، با استفاده از یک چاپگر سه‌بعدی بتنی، می‌توان ساختوساز را با درجه قابل‌توجهی از انعطاف‌پذیری و پیچیدگی هندسی، تکمیل کرد.
یک چاپگر سه‌بعدی بتن استاندارد بسیار شبیه به یک چاپگر استاندارد FDM عمل می‌کند. در درجه اوّل به‌این دلیل است که هر دو فناوری مبتنی بر اکستروژن مواد هستند.
به‌این ترتیب فرآیندهای آنها به شدت به یکدیگر شباهت دارند:
پرینتر سه‌بعدی FDM متداول‌ترین تکنولوژی پرینت سه‌بعدی حال‌حاضر در دنیا است. این تکنولوژی کاربردهای زیادی در نمونه‌سازی سریع دارد و دستگاه‌های آن به‌طور گسترده تولید می‌شود.
* پرینتر سه‌بعدی FDM متداول‌ترین تکنولوژی پرینت سه‌بعدی حال‌حاضر در دنیا است. این تکنولوژی کاربردهای زیادی در نمونه‌سازی سریع دارد و دستگاه‌های آن به‌طور گسترده تولید می‌شود.
ابتدا یک مدل سه بعدی دیجیتال با استفاده از یک نرم‌افزار مدل‌سازی سه‌بعدی، مدل می‌شود سپس مدل برش داده می‌شود و به G-Code ترجمه می‌شود سپس G-Code هد چاپ را هدایت می‌کند که مواد پمپ شده از میکسر سیمان را به‌صورت لایه‌لایه قرار دهد تا قطعه نهایی تولید شود.
یک چاپگر سه‌بعدی بتنی معمولی برای تولید افزودنی قطعات از طریق اکستروژن مواد طراحی شده است که شامل یک بازوی رباتیک است که یک سر آن به هِد چاپ متصل است و سر دیگر آن به یک سیستم بازوی رباتیک دروازه‌ای یا جرثقیل مانند متصل است. بسته به نوع چاپگر سه‌بعدی بتن، طراحی، توانایی و فرآیند آن متفاوت است. هر کدام بسته به کاربرد مورد نظر مزایا و معایبی دارند. حجم ساخت، وضوح چاپ، عملی بودن و کارایی یک چاپگر سه‌بعدی بتنی بسته به سیستم، فناوری، سازنده و کاربردهای مورد نظر آن متفاوت است.
اصطلاح دروازه‌ای (Gantry) از شکل سازه بالای دروازه گرفته شده است که از چاپگر پشتیبانی می‌کند. در حالی که این نوع چاپگر سه‌بعدی بتنی یک انتخاب محبوب برای پروژه‌های ساختمانی تجاری است، امّا به‌ندرت برای پروژه‌های کوچک‌تر استفاده می‌شود، که عمدتاً به‌دلیل اندازه بزرگ، قابلیت حمل محدود مرتبط با آن و همچنین تلاش فنی لازم برای راه‌اندازی و برچیدن آنها است. این نوع چاپگر سه‌بعدی بتنی معمولاً بر روی یک سیستم هماهنگی دکارتی متشکل از محورهای x، y و z کار می‌کند. این محورها توسط ریل‌ها و تیرهای سازه نگهدارنده تعریف می‌شوند. محور x مربوط به‌طول ریل‌هایی است که چاپگر را به جلو و عقب حرکت می‌دهد، در حالی که محور y مربوط به طول ریلی است که هد چاپ را حمل می‌کند و ستون‌ها را به هم متصل می‌کند، که به‌نوبه خود توسط محور z تعریف می‌شود و به سمت بالا و پایین حرکت می‌کنند.
به‌عنوان مثال، چاپگر سه‌بعدی ICON، Vulcan II، بر همین اساس کار می‌کند. این چاپگر با حجم ساخت 260×280×260 سانتی‌متر، وزنی در حدود 7/1 تن، تقریباً 5/2 متر ارتفاع و 5/8 متر عرض دارد. در این دستگاه منحصراً از مواد بتن اختصاصی ICON، Lavacrete استفاده می‌شود. مانند بسیاری از پرینترهای سه‌بعدی بتنی در مقیاس بزرگ، Vulcan II گران است و قیمتی حدود 250 هزار دلار دارد. با وجود این، تولید مواد افزودنی به‌طور قابل‌توجهی هزینه‌های ساختوساز را کاهش می‌دهد، زیرا بسیاری از شرکت‌های ساختمانی به جای آن ماشین را اجاره می‌کنند. در سال 2019، چاپگر ICON با موفقیت توانست خانه‌ای با قیمت کمتر از 4000 دلار، تنها در 24 ساعت بسازد.
بازوی مکانیزه یا روباتیک یک پرینتر سه‌بعدی بتن توسط یک ساختار جرثقیل مانند پشتیبانی می‌شود و معمولاً روی 6 محور کار می‌کند. این بدان معناست که ایجاد هندسه‌های پیچیده‌تر و قطعات با وضوح بالاتر نسبت به ماشین‌های مبتنی بر Gantry امکان‌پذیر است. این نوع پرینتر سه‌بعدی همچنین دارای مزیت افزایش قابلیت حمل و جمع و جور بودن است و بنابراین راه‌اندازی و جمع‌کردن آن آسان‌تر است. در گذشته، این دستگاه‌ها حجم ساخت محدودی داشتند و بنابراین به ساخت قطعات کوچک‌تر محدود می‌شدند، پیشرفت‌های اخیر ماشین‌های توسعه‌‌یافته‌تر، ساخت حجم‌های بزرگ‌تر و قابل رقابت با چاپگرهای Gantry را قادر ساخته‌اند. چاپگرهای دارای بازوی رباتیک معمولاً گران‌تر از چاپگرهای دارای سیستم Gantry هستند.
استارت‌آپ روسی، Apis Cor در سال 2018 پس از ساختن خانه‌ای به مساحت 400 فوت‌مربع که با استفاده از چاپگر سه‌بعدی بتنی بازوی روباتیک اختصاصی خود ساخته شده بود، خبرساز شد. این پروژه تنها در 24 ساعت در مسکو تکمیل شد و تنها 10 هزار دلار هزینه داشت. دو سال بعد، این شرکت پس از ساخت موفقیت‌آمیز بزرگترین ساختمان پرینت سه‌بعدی جهان در دبی با فناوری ساخت اختصاصی خود، دوباره خبرساز شد.
مزایای پرینت سه‌بعدی در ساخت و ساز:
سرعت ساختوساز سریع‌تر
بزرگترین مزیت استفاده از چاپگر سه‌بعدی در ساختوساز، سرعت تکمیل پروژه‌ها خواهد بود. نه تنها زمان بسیار کمتری برای ساخت سازه‌ها نیاز است، بلکه می‌تواند هر روز هفته 24 ساعته کار کند. در سال‌های اخیر، چاپ سه‌بعدی در ساخت خانه در عرض چند روز، بسیار موفق عمل کرده است. بر اساس برخی گزارش‌ها، چاپ سه‌بعدی می‌تواند حدود 60 درصد از زمان را در محل کار صرفه‌جویی کند.
ساختوساز کم زباله
صنعت ساختوساز سهم عمده‌ای در تولید زباله‌های جهانی دارد. امّا با پرینت/چاپ سه‌بعدی، این تولید زباله را می‌توان به‌طور قابل‌توجهی کاهش داد. یک چاپگر سه‌بعدی از منابع با دقت استفاده می‌کند، بنابراین هرگونه هدر رفت را کاهش می‌دهد.
کاهش خطرات بهداشتی و ایمنی
صنعت ساختمان معمولاً یک تجارت پرخطر در نظر گرفته می‌شود. به‌خصوص کار با بتن می‌تواند برای سلامتی خطرناک باشد. استفاده از چاپگر سه‌بعدی برای این کارها می‌تواند خطرات جراحات و تلفات را به حداقل برساند. این یکی از دلایل اصلی آزمایش این فناوری در صنعت ساختوساز است.
افزایش دقت
با چاپ سه‌بعدی، شرکت‌های ساختمانی می‌توانند به دقت بالایی در ساخت سازه‌های بتنی، دست یابند. در یک مدل چاپ سه‌بعدی، به‌جای ریختن بتن در قالب‌های سنتی، 3DCP (چاپ سه‌بعدی بتن) مواد را با استفاده از یک فرآیند کامپیوتری در لایه‌ها می‌ریزد. این امر باعث افزایش کیفیت و دقت سازه‌ها می‌شود.
سطح بالایی از آزادی در طراحی
چاپ سه‌بعدی به معماران و طراحان این امکان را می‌دهد که طرح‌های پیچیده‌ای بسازند که در غیر این‌صورت کار بسیار فشرده و پرهزینه خواهد بود. با چاپ سه‌بعدی بتن می‌توان به‌راحتی به‌هر شکلی دست یافت. این به طراحان اجازه می‌دهد تا خلاقیت بیشتری در فضای ساختوساز داشته باشند.
ساخت‌و‌سازهای سفارشی
در روش‌های سنتی ساختوساز که از قالب و برش استفاده می‌کنند، سفارشی‌سازی فرآیندی بسیار زمان‌بر و کار فشرده بود. علاوه‌بر‌آن، هیچ تضمینی برای دوام چنین سازه‌هایی که به‌صورت آزمایشی ایجاد می‌شوند وجود ندارد. امّا چاپ سه‌بعدی یکپارچگی ساختاری را تضمین می‌کند. همچنین اجازه می‌دهد تا برخی از قسمت‌ها را با نیازهای خاص تغییر دهند.
برخی از معایب و چالش‌های پرینت سه‌بعدی عبارتند از:
هزینه
هزینه یکی از موانع اصلی است که مانع استفاده گسترده از چاپ سه‌بعدی در ساختوساز می‌شود. هزینه بالای خرید یا اجاره این تجهیزات و رساندن این چاپگر/پرینترهای سه‌بعدی بزرگ به محل کار یک مانع بزرگ است. علاوه بر آن، هزینه مصالح و نگهداری باری است که بسیاری از سازندگان مشتاق تحمل آن نیستند.
مهارت‌ها
یکی دیگر از مشکلات عمده، کمبود نیروی کار ماهر در صنعت ساختمان است. برای کار با چاپگر سه‌بعدی، نیروی کار در صورت نیاز باید برای طراحی مدل‌های کامپیوتری، کار با تجهیزات و سرویس‌دهی آموزش ببیند. چاپ سه‌بعدی به مجموعه مهارت خاصی نیاز دارد که پیدا کردن مهارت، آن را هم پرهزینه و هم سخت می‌کند.
اشتباهات پرهزینه
در حالی که چاپ سه‌بعدی احتمال خطاهای انسانی را به حداقل می‌رساند. همچنین اگر پروژه‌ها با تخصص نظارت نشوند، ممکن است منجر به اشتباهات گران قیمت و سریع شود.
پذیرش – پذیرفته شدن
یکی از بزرگترین مشکلات در راه‌اندازی فناوری جدید، تردید در پذیرش است. آیا مردم قبول می‌کنند در خانه‌ای که با فناوری چاپ سه‌بعدی ساخته شده است زندگی کنند؟ وقتی صحبت از ساز می‌شود، مردم ترجیح می‌دهند به روش‌های سنتی پایبند باشند زیرا این تصور غلط رایج است که فناوری، ساز را ارزان‌تر و ضعیف‌تر می کند.
با وجود این تصور اشتباه رایج که یک ساختمان را می‌توان به‌طور کامل توسط یک چاپگر سه‌بعدی بتنی ساخت، معمولاً فقط دیوارها و پایه‌ها به‌صورت المان افزودنی و اضافه شده با پرینتر سه‌بعدی ساخته می‌شوند. با این وجود، پرینت سه‌بعدی بتن تأثیر زیادی بر صنعت ساختوساز داشته است. به‌ویژه در دهه گذشته، چندین شرکت ساختمانی متخصص در تولید بتن تشکیل شده‌اند.
شرکت دانمارکی COBOD اولین ساختمان مسکونی چاپ سه‌بعدی آلمان را با استفاده از چاپگر سه‌بعدی بتنی BOD2 ساخت و از آن زمان پروژه ساختمان مسکونی سه طبقه‌ای را اعلام کرد که ساخت آن آغاز شده و مساحت آن 380 مترمربع خواهد بود. چاپگرهای سه‌بعدی بتنی برای ساخت مسکن در چندین کشور در سراسر جهان از جمله آلمان، بلژیک، دبی، مراکش و فرانسه و همچنین یک دفتر در دانمارک استفاده شده است.
توسعه سریع فناوری چاپ سه‌بعدی بتن به چندین نوآوری چشمگیر منجر شده است.
به‌عنوان مثال، Twente Additive Manufacturing (TAM) سیستم‌های Gantry و بازوی رباتیک را برای ساخت یک چاپگر 9 محوره ترکیب کرده است که شامل 6 محور استاندارد یک چاپگر سه‌بعدی بتنی بازوی رباتیک و همچنین محورهای دکارتی چرخشی و ارتفاعی اضافی نسبت به چاپگر سه‌بعدی سیستم Gantry است.
تعدادی از این پیشرفت‌ها کاربردهای قابل‌توجهی در سطح جهانی برای مسائلی مانند رفع مشکل مسکن بی‌خانمانمان‌ها و حفظ منابع طبیعی دارند.
اینفوگراف: چاپگر سه‌بعدی بتن چگونه کار می‌کند؟
