چاپ سه بعدی در ساختمان

آیا تکنولوژی چاپ سه بعدی دنیای ساخت و ساز و ساختمان را متحول خواهد کرد؟

از حدود ۵-۶ سال گذشته می توان گفت که زمزمه این پرسش بیشتر و بیشتر در دنیای معماری و ساخت و ساز به گوش می رسد. می دانیم که خود فناوری چاپ سه بعدی کوچک مقیاس (smal-scale) سالهاست که در صنعت جا افتاده و استفاده از چاپگر های سه بعدی در همه شاخه های صنعتی فراگیر شده و حتی استفاده از چاپگر های (غالبا پلاستیک) سه بعدی کوچک مقیاس در میان عموم و غیر حرفه ای ها هم رواج پید کرده است.

با این حال می بینیم که نفوذ این تکنولوژی به حوزه ساخت و ساز با کندی و دشواری و چالش همراه بوده و چاپ سه بعدی نتوانسته پا به پای دیگر حوزه های صنعتی خود را در صنعت ساختمان تثبیت کند. در این یادداشت به اختصار به برخی از دلایل این مساله می پردازیم.

با اینکه در تئوری چاپ سه بعدی بزرگ-مقیاس (Large-scale) مربوط به حوزه ساختمان تنها از نظر مقیاس با چاپ سه بعدی «کلاسیک» (چاپگر های کوچک مقیاس پلاستیک) از نظر فناوری تفاوت دارد و هر دو از روش ساخت افزایشی (لایه به لایه) استفاده می کنند، اما در واقعیت می بینیم که پیچیدگی های زیادی در چاپ سه بعدی بزرگ مقیاس نسبت به چاپگر های سه بعدی متعارف به وجود می آید.

مهمترین تفاوت در چاپ سه بعدی بزرگ مقیاس (برای ساختمان) متریال مورد استفاده است. می دانیم که هدف غالب پژوهش ها و شرکت های صنعتی که در این حوزه فعالند این است که بتوانند از بتن برای چاپ سه بعدی در معماری استفاده کنند. تفاوت ماهوی و اساسی بتن با ترمو پلاستیک های مورد استفاده در چاپگرهای متعارف اصلی ترین علت پیچیدگی کار در حوزه ساختمان و معماری است.

پلاستیک داغ شده خیلی زود خشک می شود و فرم می گیرد و این باعث چسبندگی خیلی خوبی بین لایه های مختلف چاپ می شود و در نهایت این امکان را میدهد که صفحات و فرم های پیچیده و با شیب ها و انحناهای بسیار زیاد هم قابل ساخت (چاپ) شوند. در حالی که کار با بتن هر چه قدر هم که برای چاپ سه بعدی بهینه سازی شده باشد ( زمان خشک شدن کاهش یابد) باز هم فاصله زیادی با انعطاف و آزادی و سادگی که کار با متریالی مانند PLA  (متریال اصلی چاپ گرهای متعارف) استفاده می شود دارد.

از متریال که بگذریم، با بزرگ شدن مقیاس، اندازه ماشین و دستگاه چاپ سه بعدی نیز به تناسب بزرگ می شود که خود این مساله هم پیچیدگی و هزینه زیادی را به فرایند تحمیل می کند. ارتباط ربات یا دستگاه پرینت با پمپی که باید بتن را روانه نازل کند نیز به خاطر خصوصیات بتن با پیچیدگی و حساسیت زیادی همراه است. نوع ماشین های مورد استفاده برای چاپ سه بعدی بتن در مقیاس بزرگ هنوز مساله پژوهش و تجربه و آزمون و خطا در میان شرکت ها و لابراتور های پیشرو در این زمینه است.

به این معنی که هنوز استراتژی غالبی در مورد نوع ماشینی که باید برای چاپ سه بعدی مورد استفاده قرار بگیرد وجود ندارد و با نوعی گوناگونی روش ها و ساختار های ماشینی مواجهیم. در کل می توان دو رویکرد را در باره ماشین ها در این زمینه مشاهده کرد: اول طراحی و ساخت ماشین های چاپگر سه محوری است که نمونه بزرگ شده همان چاپگرهای کوچک پلاستیک است که سعی در پرینت کلیت ساختمان دارند و بنابرین ابعاد بسیار بزرگی را به خود می گیرند. دوم استفاده از بازوهای رباتیک صنعتی ۶ محوری می باشد.

استفاده از این بازوهای رباتیک صنعتی با توجه به اندازه محدودترشان می توانند یا به صورت موضعی قسمت هایی از عناصر ساختمان را بسازند و یا باید بر روی بستر های متحرکی قرار بگیرند که قابلیت جابه جایی در کارگاه را داشته باشند، که در این حالت پیچیدگی های بسیاری را با خود همراه می کند. اما امتیاز استفاده از این بازوها در دامنه وسیعتر فرم های قابل چاپ است که می تواند با توجه به آزادی های بیشتر و انعطاف پذیری و دقت بیشتری که نسبت به ماشین های ۳ محوری دارند به چاپ فرم های پیچیده تر منجر شود؛ پتانسیل خلق پترن ها و بازیهای رایانشی لایه به لایه را با کنش میان متریال (بتن) و ربات به وجود آورند.

متریال بتن و همچنین نوع و اندازه ماشین های به کار گرفته شده را می توان دو وجه تمایز چاپ سه بعدی برای معماری و ساختمان را با چاپ سه بعدی کوچک مقیاس در نظر گرفت. با توجه به پیچیدگی ها و هزینه بر بودنشان موجب شده اند این تکنولوژی علی رغم پتانسیلی که دارد نتوانسته هنوز خود را وارد چرخه ساختمان کند.

هر چند که در این ۱-۲ سال اخیر تلاش چندین شرکت و استارتاپ و لابراتوار در این زمینه را می بینیم که پروتوتایپ هایی از فضاهای معماری-سکونتی  یا خانه های کوچک «غالبا ساده» را ارائه کرده اند و درگیر رقابت برای ارائه اولین نسخه صنعتی این تکنولوژی به چرخه ساختمان هستند. با توجه به این زمینه و نشانه ها به نظر می رسد چاپ سه بعدی در افقی چند ساله بدون آنکه انقلابی را در فرایند ساخت و ساز منجر شود دست کم جایگاهی در حوزه خاصی از این صنعت را برای خود به دست آورد.