بخشی از مقاله
بررسی روش ساخت و ساز نوین با چاپگرهای سه بعدی
خلاصه
از نیازهای اولیه بشر تامین پناهگاه می باشد. امروزه با رشد جمعیت نیاز به ساخت سرپناه در زمان کمتر، ارزان تر و مقاومتر مورد نیاز است. ساخت و ساز با دستگاه های چابگر سه بعدی با مقیاس بزرگ به روش ساخت لایه به لایه عمل می کنند و بیشتر در ساخت دیوار ها کاربرد دارد. کاهش زمان ساخت، کاهش هزینه تمام شده، ایمنی بیشتر در حین کار بویژه در پروژه های انبوه سازی از جمله مزایای این سبک ساخت و ساز می باشد. این روش می تواند آغاز تغییر تکنولوژی ساخت و ساز باشد.
کلمات کلیدی: چاپگر ساختمان بتنی ، چاپگر سه بعدی ساختمان ، پرینتر 3D ساختمان بتن ، چاپگر سه بعدی با مقیاس بزرگ ، تکنولوژی جدید ساخت و ساز عمرانی
1. مقدمه
امروزه دستگاه های چاپگر پا به عرصه های جدید و با رویکردهای متفاوت نسبت به قبل گذاشته است. ساخت قطعات سه بعدی در ابعاد مختلف، بادقت و سرعت بالا منجر به ایجاد تحولات اساسی در زمینه های مختلف صنعتی ، پزشکی ، ساخت و ساز ، معماری و بطور کلی زندگی بشر خواهد گردید.[1] در زمینه ساخت و ساز (که از نیازهای اولیه انسان جهت ایجاد سرپناه محسوب می شود) استفاده از تکنولوژی چاپگرهای سه بعدی باعث افزایش سرعت،
کاهش هزینه، افزایش دقت اجرا، کاهش آسیب دیدگیها و تلفات در حین ساخت خواهد گردید. بویژه با توجه به اینکه بیشترین آمار تلفات صنعتی مربوط به بخش ساخت و ساز می باشد. همچنین این روش جدید در انبوه سازی ها بسیار کاربردی و موثر خواهد بود. [2] البته این تکنولوژی نوپا بوده و هنوز محدودیتهای فراوانی (بویژه در بحث تکنولوژی بتن) دارد و هنوز تحقیقات فراوانی جهت بهینه سازی آن در جریان می باشد.
با توجه به جدید بودن این مبحث (مخصوصا در کشور ایران)، سعی بر آن شده تا در این مقاله با بررسی توصیفی و کیفی (برخی مقالات خارجی) در این رابطه به خصوصیات، اهمیت و تاثیر استفاده از چاپگرهای سه بعدی در صنعت ساختمانی پرداخته شود.
2. تاریخچه
قدمت کاربرد دستگاه های نمونه سازی سه بعدی در صنایع مهندسی به بیش از یکصد سال باز می گردد که در دهه های اخیر رشد چشمگیری داشته است. در گذشته عملیات ساخت مدل های سه بعدی با فالب سازی انجام میگرفت اما امروزه بطور فزاینده ای این کار توسط دستگاهای چاپ و بطور مستقیم انجام می شود. این تکنولوژی محبوب بعنوان ایده دو قرن پیش، فن آوری قرن گذشته و بازار قرن جاری تلقی می گردد. [3]
امروزه پرینتر های سه بعدی در مقیاس های کوچک یا بزرگ کار خود را انجام میدهند و نمونه های تجاری مختلف آنها در بازار موجود می باشد.مواد اولیه آن با توجه به کاربری متفاوت است .در بحث ساختمان سازی تا کنون ساختمان ها و سازه های فراوانی با پرینتر های سه بعدی ساخته شده اند. اغلب مواد اولیه آنها بتن (مخصوصا بتن های پلیمری) می باشد. [2] گلوگاه کاربرد این تکنولوژی در ساختمان سازی در بخش ماده اولیه یا همان بتن می باشد. این تکنولوژی دریچه ای جدید به صنعت ساخت و ساز گشوده است. لازم به ذکر است که همچنان مطالعات فراوانی در این زمینه جاری است. [4]
3. چگونگی ساخت ساختمان بتنی توسط چاپگر سه بعدی
برای ساخت اشیاء سه بعدی توسط ماشین، همچون روش های سنتی از دو روش معمول استفاده می شود. یک روش اینکه مقداری از مواد خام را قرار داده و از آن بقدری برداشته می شود تا به شکل نهایی دست یابیم و در روش دیگر بعد از مشخص شدن طرح نهایی، مواد خام بطور کنترل شده به اندازه و شکل مشخص در قسمت مورد نظر قرار می گیرد تا در نهایت به شکل نهایی مورد نظر دست یابیم. [3] (در صنعت ساخت و ساز از روش دوم ذکر شده استفاده می شود. روش دوم نیز دو حالت دارد. حالت اول اینکه مواد اولیه ابتدا با هم ترکیب شده و در محل قرار می گیرد و در حالت دوم) ابتدا مواد در محل قرار گرفته و سپس با هم ترکیب می شوند، یعنی پودر سیمان و مواد افزودنی بصورت لایه ای بسیار نازک ریخته شده و سپس رطوبت دهی می شود. [1] (جهت اجرای ساختمان با مقیاس بزرگ حالت اول مورد بررسی قرار می گیرد.)
در پرینت سه بعدی با مقیاس بزرگ جهت ساختمان سازی، بتن مخلوط شده توسط ربات چاپگر بتن سه بعدی (که در انواع مختلف و اغلب بصورت نیمه خودکار می باشد) به محل مورد نظر اضافه می شود. برای انطباق با طرح، یک نازل خروجی بتن و یک بازوی رباتیک متصل به مخازن چاپگر و نگهدارنده نازل متحرک نیز وجود دارد. نگهدارنده نازل حرکت آن را در هر سه جهت با سرعت مورد نظر ممکن می سازد. همچنین مسلح شدن و نصب تجهیزات سازه توسط یک بازوی رباتیک دیگر یا نفر حاضر در محل انجام می پذیرد.[2 ]
انجام فرایند چاپ شامل سه مرحله است: -1 مدل سازی -2 چاپ -3 پایان عملیات. [3]
.1-3 مدل سازی
شکل نهایی پرینت به کمک نقشه های دیجیتالی کامپیوتری (اغلب با نرم افزارهای CAD یا مشابه آن) طراحی می شود. این اطلاعات پردازش شده و برای چاپگر قابل فهم خواهد شد و بدین وسیله دستگاه برای چاپ دقیق می تواند درک صحیحی از دستورالعمل های خود داشته باشد. [2] از جمله برنامه های
مدل سازی کاربردی در این زمینه می توان به نرم افزار های عمومی رایج CAD (همچون ( AutoCAD , Solidworks , ProE ، برنامه های سه بعدی سازی ( 3D) ، نرم افزار های با فرمت STL ، نرم افزارهای لایه لایه ای 2D و یا برنامه های حرفه ای سفارشی اشاره نمود.[3]
.2-3 چاپ
برای انجام عملیات چاپ ، دستگاه اطلاعات لازم را از مدل نهایی موجود در رایانه دریافت می نماید. با توجه به مدل و ویژگیهای بتن، مسیر حرکت نازل ، سرعت حرکت ، میزان بتن خروجی آن و دیگر اطلاعات لازم مشخص شده و دستورات به دستگاه چاپگر ارسال میگردد.[ 3 ]
در این روش از هیچ نوع قالب و قالب بندی استفاده نمی شود. بتن مورد استفاده در چاپگر سه بعدی ساختمان با بتن مورد استفاده در روشهای سنتی متفاوت است. از قرن 19 میلادی از میله های فولادی جهت افزایش مقاومت بتن در برابر کشش استفاده می گردد. [1] در این روش برای مسلح کردن بتن و مقاومت در برابر کشش می توان از میله های فولادی کوتاهی استفاده نمود که پس از چند لایه بتن ریزی این میله ها به یکدیگر پیچ شوند و لایه بعدی بتن ریخته می شود.[6] اما راه حل دیگر استفاده از بتنی است که مقاومت کششی مورد نیاز را برآورده کند. استفاده از الیاف فولادی ، الیاف شیشه ای ، فیبر پلاستیکی و یا کامپوزیتی باعث افزایش مقاومت بتن در برابر کشش می شود. همچنین بایستی بتن مورد استفاده در این روش بایستی جهت یکنواخت بودن ، شکل پذیری بالا ، زودگیر بودن وکاهش نسبت آب به سیمان در حد امکان تدابیر لازم درنظر گرفته شود. [1]
نازل وظیفه خروج بتن با شکل و میزان مورد نظر را دارد و دارای یک مخزن موقت است که بتن منتقل شده از منبع اصلی را در خود نگهداری می کند و آنرا به سمت دهانه خروجی منتقل می سازد.[2] (نازل می تواند تک سر یا چند سر باشد. نازل پیشنهادی به گونه ای است که از دو بخش تشکیل شده باشد.) بخشی برای ایجاد لایه بیرونی دیوار (از جنس گچ) و بخشی برای ایجاد لایه درونی یا هسته دیوار( از جنس بتن). [5] برای نازل با سر 35 پیکولیتر، تمام اجزای مورد استفاده در مخلوط بتن بایستی کوچکتر از یک دهم اینچ باشد. [1] می توان در کناره نازل خروجی ، ماله ای مخصوص جهت ماله کشی در نظر گرفت.[5] تعداد، ضخامت و اندازه لایه ها ی چاپ با توجه به مشخصات نازل و مشخصات بتن مصرفی متغییر است. رابطه زیر بصورت تجربی (در دانشگاه کالیفرنیا جنوبی) جهت درک رفتار مواد در زمان خروج و همچنین کالیبره کردن پارامتر های ورودی و خروجی بدست آمده است.[7]
