خانه صفر در آستین، تگزاس، خانه ای به مساحت 2,000 فوت مربع است که با بتن پرینت سه بعدی ساخته شده است. معماران دریاچه فلاتو

در معماری، مصالح جدید به ندرت پدیدار می شوند.

برای قرن ها، چوب، سنگ تراشی و بتن اساس بیشتر سازه های روی زمین را تشکیل می دادند.

در دهه 1880، تصویب قاب فولادی معماری را برای همیشه تغییر داد. فولاد به معماران این امکان را می‌دهد که ساختمان‌های بلندتر با پنجره‌های بزرگ‌تر طراحی کنند و آسمان‌خراش‌هایی را ایجاد کنند که افق شهر را امروز مشخص می‌کنند.

از زمان انقلاب صنعتی، مصالح ساختمانی عمدتاً به طیف وسیعی از عناصر تولید انبوه محدود شده‌اند. از تیرهای فولادی گرفته تا پانل های تخته سه لا، این کیت استاندارد قطعات، بیش از 150 سال است که به طراحی و ساخت ساختمان ها کمک کرده است.

این ممکن است به زودی با پیشرفت هایی در آنچه که " نامیده می شود تغییر کند.تولید مواد افزودنی در مقیاس بزرگ" از زمان پذیرش اسکلت فولادی، پیشرفتی با پتانسیل زیادی برای تغییر روش تصور و ساخت ساختمان ها وجود نداشته است.

تولید مواد افزودنی در مقیاس بزرگ، مانند پرینت سه بعدی رومیزی، شامل ساختن اشیا یک لایه در یک زمان است. چه خاک رس، چه بتن یا پلاستیک، مواد چاپی در حالت سیال اکسترود شده و به شکل نهایی خود سخت می شود.

به عنوان مدیر موسسه سازه های هوشمند در دانشگاه تنسی، من خوش شانس بودم که روی یک سری پروژه کار کردم که این فناوری جدید را به کار می برد.

در حالی که برخی موانع برای پذیرش گسترده این فناوری هنوز وجود دارد، من می‌توانم آینده‌ای را پیش‌بینی کنم که در آن ساختمان‌ها کاملاً از مواد بازیافتی یا موادی که در محل تولید می‌شوند، با فرم‌هایی الهام گرفته از هندسه‌های طبیعت ساخته می‌شوند.

نمونه های اولیه امیدوار کننده

در میان این است غرفه تریلیوم، یک ساختار فضای باز که از بازیافت چاپ شده است پلیمر ABSیک پلاستیک رایج که در طیف وسیعی از محصولات مصرفی استفاده می شود.

سطوح نازک و دو انحنای این سازه از گلبرگ های آن الهام گرفته شده است گل همنامش. این پروژه توسط دانشجویان طراحی شده است، توسط Loci Robotics چاپ شده و در پارک تحقیقاتی دانشگاه تنسی در مزرعه چروکی در ناکسویل ساخته شده است.

نمونه های اخیر دیگر از تولید مواد افزودنی در مقیاس بزرگ از جمله Tecla، یک خانه نمونه اولیه با مساحت 450 فوت مربع (41.8 متر مربع) که توسط معماران ماریو کوسینلا طراحی شده و در شهر کوچکی در ماسا لومباردا در ایتالیا چاپ شده است.

Tecla از خاک رس محلی ساخته شده است. معماران ماریو کوچینلا

معماران Tecla را از خاک رس که از یک رودخانه محلی به دست آمده بود چاپ کردند. ترکیب منحصر به فرد این ماده ارزان قیمت و هندسه شعاعی شکلی از مسکن جایگزین را ایجاد کرد که انرژی کارآمدی دارد.

در ایالات متحده، شرکت معماری Lake Flato با شرکت فناوری ساخت و ساز ICON برای چاپ دیوارهای بیرونی بتنی برای خانه ای با نام "خانه صفر” در آستین، تگزاس.

این خانه 2,000 فوت مربعی (185.8 متر مربعی) سرعت و کارایی بتن پرینت سه بعدی را نشان می دهد و سازه کنتراست دلپذیری را بین دیوارهای منحنی و قاب چوبی در معرض آن به نمایش می گذارد.

فرآیند برنامه ریزی

تولید افزودنی در مقیاس بزرگ شامل سه حوزه دانش است: طراحی دیجیتال، ساخت دیجیتال و علم مواد.

برای شروع، معماران مدل های رایانه ای از تمام اجزایی که چاپ خواهند شد ایجاد می کنند. سپس این طراحان می‌توانند از نرم‌افزاری برای آزمایش نحوه پاسخگویی اجزا به نیروهای ساختاری استفاده کنند و اجزا را بر اساس آن تغییر دهند. این ابزارها همچنین می‌توانند به طراح کمک کنند که چگونه وزن اجزا را کاهش دهد و فرآیندهای طراحی خاص مانند صاف کردن تقاطع‌های هندسی پیچیده را قبل از چاپ خودکار کند.

یک قطعه نرم افزار به عنوان برش دهنده شناخته می شود سپس مدل کامپیوتر را به مجموعه ای از دستورالعمل ها برای چاپگر سه بعدی ترجمه می کند.

ممکن است فرض کنید پرینترهای سه بعدی در مقیاس نسبتاً کوچک کار می کنند - فکر کنید کیف های تلفن همراه و جا مسواک.

اما پیشرفت در فناوری چاپ سه بعدی به سخت افزار اجازه داده است به صورت جدی افزایش یابد. گاهی اوقات چاپ از طریق چیزی که نامیده می شود انجام می شود یک سیستم مبتنی بر دروازه - یک چارچوب مستطیلی از ریل های کشویی شبیه به یک چاپگر سه بعدی رومیزی. به طور فزاینده، بازوهای رباتیک به دلیل توانایی آنها برای چاپ در هر جهتی استفاده می شود.

بازوهای رباتیک انعطاف پذیری بیشتری را در فرآیند ساخت و ساز فراهم می کنند.

سایت چاپ نیز می تواند متفاوت باشد. اثاثیه و اجزای کوچکتر را می توان در کارخانه ها چاپ کرد، در حالی که کل خانه ها باید در محل چاپ شوند.

طیف وسیعی از مواد را می توان برای تولید مواد افزودنی در مقیاس بزرگ استفاده کرد. بتن به دلیل آشنایی و دوام، انتخاب محبوبی است. خاک رس یک جایگزین جذاب است زیرا می توان آن را در محل برداشت کرد - کاری که طراحان Tecla انجام دادند.

اما پلاستیک ها و پلیمرها می توانند گسترده ترین کاربرد را داشته باشند. این مواد فوق‌العاده همه کاره هستند و می‌توان آن‌ها را به گونه‌ای فرمول‌بندی کرد که طیف وسیعی از الزامات ساختاری و زیبایی‌شناختی خاص را برآورده کند. آنها همچنین می توانند از مواد بازیافتی و ارگانیک تولید شوند.

الهام از طبیعت

از آنجایی که تولید مواد افزودنی لایه به لایه ساخته می‌شود و تنها از مواد و انرژی مورد نیاز برای ساخت یک جزء خاص استفاده می‌کند، فرآیند ساختمانی بسیار کارآمدتر ازروش های تفریقی"، که شامل بریدن مواد اضافی است - فکر کنید که یک تیر چوبی را از یک درخت آسیاب کنید.

حتی مواد معمولی مانند بتن و پلاستیک از چاپ سه بعدی سود می برند، زیرا نیازی به قالب یا قالب اضافی وجود ندارد.

اکثر مصالح ساختمانی امروزه در خطوط مونتاژی که برای تولید همان اجزا طراحی شده اند به صورت انبوه تولید می شوند. ضمن کاهش هزینه، این فرآیند فضای کمی برای سفارشی سازی باقی می گذارد.

از آنجایی که نیازی به ابزار، قالب یا قالب نیست، تولید افزودنی در مقیاس بزرگ اجازه می دهد تا هر قطعه منحصر به فرد باشد، بدون جریمه زمانی برای پیچیدگی یا سفارشی سازی بیشتر.

یکی دیگر از ویژگی های جالب تولید افزودنی در مقیاس بزرگ، قابلیت تولید اجزای پیچیده با حفره های داخلی است. این ممکن است روزی اجازه دهد که دیوارها با مجرا یا کانالی که قبلاً در جای خود قرار گرفته اند چاپ شوند.

علاوه بر این، تحقیق در حال انجام است برای بررسی امکانات پرینت سه بعدی چند ماده ای، تکنیکی که می تواند به پنجره ها، عایق ها، تقویت ساختاری - حتی سیم کشی - اجازه دهد تا به طور کامل در یک جزء چاپی واحد ادغام شوند.

یکی از جنبه های تولید افزودنی که من را بسیار هیجان زده می کند، روشی است که در آن ساختمان لایه به لایه، با موادی که به آرامی سخت می شود، فرآیندهای طبیعی مانند تشکیل پوسته را منعکس می کند.

خانه ای با چاپ سه بعدی در شانگهای که در کمتر از 3 ساعت از زباله های ساختمانی ساخته شد. گروه ویژوال چین/گتی ایماژ

این دریچه‌های فرصت را باز می‌کند و به طراحان اجازه می‌دهد تا هندسه‌هایی را اجرا کنند که تولید آنها با استفاده از روش‌های دیگر ساخت‌وساز دشوار است، اما در طبیعت رایج هستند.

قاب های سازه ای با الهام از ساختار ظریف استخوان های پرنده می تواند شبکه های سبکی از لوله ها را ایجاد کند، با اندازه های مختلف که نیروهای وارد بر آنها را منعکس می کند. نماهایی که شکل برگ های گیاه را تداعی می کند ممکن است برای سایه اندازی همزمان ساختمان و تولید انرژی خورشیدی طراحی شود.

غلبه بر منحنی یادگیری

علیرغم بسیاری از جنبه های مثبت تولید افزودنی در مقیاس بزرگ، تعدادی موانع برای پذیرش گسترده تر آن وجود دارد.

شاید بزرگترین چیزی که باید بر آن غلبه کرد، تازگی آن است. یک زیرساخت کامل حول اشکال سنتی ساخت و ساز مانند فولاد، بتن و چوب ساخته شده است که شامل زنجیره تامین و کدهای ساختمانی است. علاوه بر این، هزینه سخت افزار ساخت دیجیتال نسبتاً بالا است و مهارت های طراحی خاص مورد نیاز برای کار با این مواد جدید هنوز به طور گسترده آموزش داده نشده است.

برای اینکه پرینت سه بعدی در معماری به طور گسترده‌تر مورد استفاده قرار گیرد، باید جایگاه خود را پیدا کند. مشابه نحوه پردازش کلمه به محبوبیت کامپیوترهای رومیزی کمک کرد، من فکر می کنم این یک کاربرد خاص از تولید مواد افزودنی در مقیاس بزرگ خواهد بود که منجر به استفاده رایج از آن می شود.

شاید این توانایی آن در چاپ قاب های ساختاری بسیار کارآمد باشد. من همچنین قول آن را برای ایجاد نماهای مجسمه ای منحصربفرد می بینم که می توانند در پایان عمر مفید خود بازیافت و تجدید چاپ شوند.

در هر صورت، به نظر می‌رسد که ترکیبی از عوامل، اطمینان حاصل می‌کند که ساختمان‌های آینده تا حدودی به صورت سه بعدی چاپ خواهند شد.

درباره نویسنده

جیمز رزمدیر موسسه سازه های هوشمند، دانشگاه تنسی

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.