عصر طلایی پرینت سه‌بعدی: نوآوری‌ها صنعت را تغییر می‌دهند

تحریریه معماری آرل

پرینت سه‌بعدی خود یک فناوری جدید است، اما جلوی محققین و نوآوران را در کل جهان برای دستیابی به کاربردها و فرصت‌های جدید، نگرفته است. برخی از تجربه‌ها در ارتباط با مواد جدید با مشکلات مربوط به پایداری، دست و پنجه نرم می‌کنند و سایرین به سادگی از تصور و خلاقیت نشأت می‌گیرند. دیگران چنین انتخاب کرده‌اند تا زمان خود را با استفاده از مواد سنتی‌تر به شیوه‌های جدید صرف کنند.به هر حال، مواد تنها آغازکننده کار است. محققین، فرایندهای جدیدی را توسعه داده‌اند که اجازه خلق اشیائی را می‌دهد که قبلاً پرینت آن‌ها غیرممکن بود و گونه‌شناسی‌های جدید ساختمانی در مقیاس‌های بزرگ‌تری مورد آزمایش قرار می‌گیرند که از جمله‌ی آن می‌توان به محل سکونت در مریخ اشاره کرد!

مواد جدید

کاغذ بازیافتی

درحالی‌که فناوری پرینت سه‌بعدی در طول سال‌های اخیر به طور پیوسته تکامل یافته است، دستیابی به مقیاس‌ها، صنایع و مواد جدید، نگرانی‌ها در ارتباط با پایداری، همچنان باقی می‌مانند. پرینت سه‌بعدی می‌تواند برخی از زباله‌های حاصل از فرایندهای ساخت قدیمی را حذف کرده و نیز کارایی را افزایش دهد، اما این مشکل که اکثریت مواد مورد استفاده در پرینت هنوز هم پلاستیک است، باقی می‌ماند. Beer Holthuis، به عنوان طراح، مصمم به اختراع یک ماده پایدارتر برای پرینت سه‌بعدی بود و روشی را توسعه داد که از الیاف کاغذ خیس استفاده می‌کند. پرینتر خمیر کاغذ، اولین پرینتر سه‌بعدی جهان است که به جای مواد پلاستیکی یا ترکیبات پلاستیکی از خمیر استفاده می‌کند. برخلاف کاغذهای معمول، کاغذ پرینت شده، قوی و بادوام است. انسان‌ها مقدار زیادی زباله کاغذی تولید می‌کنند، بنابراین ماده‌ای است که به طور گسترده‌ای در دسترس است. سیستمی با حلقه‌ی بسته در ترکیب با یک عامل پیوندی  طبیعی به معنی این است که محصولات می‌توانند به صورت پیوسته بازیافت شوند.

فولاد

طراحان در هلند از یک پرینت سه‌بعدی برای کار با مواد شناخته شده به شیوه‌های جدید استفاده کردند. اولین پل فولادی ضدزنگ جهان که به صورت سه‌بعدی پرینت شده است، در هفته طراحی هلند در اکتبر سال 2018 توسط شرکت روبوتیک MX3D معرفی شد. این پل توسط ربات‌هایی ساخته شد که دارای شش محور از لایه‌های فولاد ذوب شده بود تا ویترین کاربردهای بالقوه از فناوری پرینت سه‌بعدی با چند محور را نمایش دهد. این پل همچنین دارای حسگرهای هوشمند برای ردیابی عملکرد سازه به لحاظ کرنش، دوران، جابجایی و ارتعاش است. برنامه‌ریزی شده است تا این پل بر روی یکی از قدیمی‌ترین کانال‌های آمستردام در اواسط سال 2019 نصب گردد.

سرامیک

در همکاری بین‌رشته‌ای مابین محققین کشاورزی، سرامیک و محاسبات، گروهی در دانشگاه ایالت آیووا در حال تحقیق در مورد فرصت‌های ممکن ارائه شده توسط پرینت سه‌بعدی سرامیک با استفاده از پرینتر 3D Potter هستند. سال گذشته آن‌ها یک نمای سرامیکی پرینت شده به صورت سه‌بعدی را توسعه دادند که می‌تواند با سیستم مکانیکی یک ساختمان ادغام شده و نور، جریان هوا و حریم خصوصی را کنترل کند، درحالی‌که به طور هم‌زمان دارای منافعی از جمله سرمایش تبخیری است. الگوهای بافته شده بر روی این صفحه، حفرات در اندازه میکرو به وجود می‌آورند که به تهویه و سرمایش فضا با عبور هوا از میان آن‌ها کمک می‌کند. این پروژه شامل یک مدل آزمایشگاهی در مقیاس کامل است که از 140 قطعه‌ی مجزای پرینت شده، مونتاژ شده است.

مواد غذا

پرینت سه‌بعدی همچنین منجر به ابداعات جدید بسیاری در دنیای پخت و پز نیز شده است. شرکت Universal Favourite یک قالب پرینت شده‌ی سه‌بعدی را توسعه داده که خط تولید شکلات‌های مکمل خود را در آن ایجاد کرده است. شکلات‌ها به‌گونه‌ای در قالب ریخته می‌شوند که دو طعم مکمل، می‌توانند به دقت همانند یک پازل در کنار هم قرار گیرند و به صورت یکجا خورده شوند. کمپانی‌هایی نیز همچون Choc Edge وجود دارند که پرینترهایی به وجود آورده‌اند که فرایند چاپ را به صورت سه‌بعدی به همراه خود شکلات انجام می‌دهند، که طرح‌هایی پیچیده و خوشمزه به وجود می‌آورد.

فرایندهای جدید

شیشه

شیشه ماده‌ای است که اغلب برای کار در پرینت‌های سه‌بعدی بسیار چالش برانگیز و حتی خطرناک تصور می‌شود. روش‌های قبلی همگی شامل گرمایش شیشه تا دمایی در حدود 1800 درجه فارنهایت (1000درجه سلسیوس) می‌شدند. محصولات نهایی این روش‌ها نیز دارای بافتی درشت و سخت بودند. در شیوه‌ای جدید که در موسسه فناوری کارلسروهه در آلمان توسعه یافته است، دانشمندان قادر به استفاده از یک پرینتر سه‌بعدی استاندارد برای ایجاد ساختارهای شیشه‌ای پیچیده با استفاده از نوعی "شیشه مایع" بودند.
نانوذرات سیلیس در یک محلول اکریلیک پراکنده شده‌اند، جسم پرینت می‌شود و سپس نور فرابنفش برای سخت کردن مواد به نوعی پلاستیک، استفاده می‌شود. در نهایت جسم پرینت شده در معرض دمای بالا قرار می‌گیرد که موجب می‌شود پلاستیک بسوزد و ذرات سیلیس به حالت شیشه نرم و شفاف تبدیل شوند. با استفاده از افزودنی‌ها، حتی شیشه‌های رنگی نیز می‌توانند تولید شوند.

مشابه چوب

تکرار ظاهر خارجی مواد متفاوت یک توانایی اثبات شده از پرینت سه‌بعدی است، اما ایجاد ساختار داخلی دقیق، بسیار چالش برانگیزتر بوده است. محققین در دانشگاه کلمبیا در نیویورک یک روشی برای اسکن توسعه داده‌اند که همراه با پرینت سه‌بعدی، قادر به کپی‌برداری دقیق از ساختار درونی و ظاهری موادی همچون چوب است. یک قطعه چوب واقعی به عنوان راهنما برای ایجاد مدل استفاده شد. در ابتدا در فواصلی معادل 27 میکرومتر (0.027 میلی‌متر) با استفاده از دستگاه کنترل عددی کامپیوتری (CNC) بریده شد، سپس تصاویر این بخش‌ها برای پرینت با استفاده از یک کد قابل پرینت سه‌بعدی و یک پرینتر پلی‌جت ایجاد شدند. اهمیت کلیدی این موفقیت این است که جریان کاری مورد استفاده توسط محققین می‌تواند برای ایجاد کپی‌های پرینت شده‌ی سه‌بعدی از سایر اشیاء با ساختارهای درونی پیچیده اعمال گردد که قبلاً دستیابی به آن‌ها غیرممکن بود.

گونه شناسی/ مقیاس ساختمان

بتن

در داستانی دیگر از نوآوری هلندی، شهر آیندهوون قصد دارد تا میزبان اولین پروژه ساخت خانه بتنی پرینت شده به صورت سه‌بعدی در جهان باشد. در روشی فازبندی شده که اجازه پیشرفت در طول کار را می‌دهد، المان‌ها برای اولین خانه در دانشگاه فناوری آیندهوون پرینت خواهند شد، با این هدف که کل فرایند کار در سایت مورد نظر با ساخت پنجمین خانه تکمیل خواهد شد. تنوع شکل و رنگ موجود در این فرایند و نیز کاهش بار اقتصادی و انتشار گاز CO2، تأثیری را که بتن پرینت شده به صورت سه‌بعدی می‌تواند بر صنعت ساخت‌وساز داشته باشد را نشان می‌دهد.

سربازخانه‌های ارتش

تفنگداران دریایی آمریکا اخیراً اولین سربازخانه بتنی پرینت شده به صورت سه‌بعدی در جهان را با مشارکت شرکت معماری SOM ساختند. ما سازه‌های بتنی پرینت شده به صورت سه‌بعدی دیگری را نیز قبلاً مشاهده کرده‌ایم، اما یک برنامه نظامی دارای منافع منحصربه‌فردی است. انعطاف‌پذیری، یکی از پیشرفت‌های کلیدی نسبت به شرایط کنونی خواهد بود؛ به جای محدود شدن به موادی که تفنگداران دریایی به آن‌ها عرضه می‌کند، اگر به پرینتر میدانی، یک کامپیوتر و کیسه‌های بتنی دسترسی داشتند، می‌توانند سازه‌هایی به هر وسعت را برای نیازهای خاص خود بسازند. در آزمونی در آگوست سال 2018، این گروه قادر به پرینت سربازخانه‌ای به وسعت 500 فوت مربع (46 مترمربع) در عرض 40 ساعت بودند. SOM دیوارها را به گونه‌ای طراحی کرد تا از یک طرح جناغی بهره ببرند که دارای مزیت ایجاد خودنگهدارندگی بوده و نیز مقاومت آن‌ها 2.5 برابر بیشتر از دیوار بتنی تقویت شده صاف قدیمی در یک آزمایش شبیه‌سازی تخریب است. این سربازخانه اولین سازه پرینت شده‌ی سه‌بعدی برای اثبات استفاده انسانی در آمریکا توسط استاندارد ساختمان بین‌المللی است و تفنگداران دریایی پیش‌بینی می‌کنند که اولین پرینترهای نمونه در سال 2021 مستقر شوند.

زمین

شرکت ایتالیایی WASP یک خانه پرینت شده به صورت سه‌بعدی به نام Gaia، از مواد طبیعی موجود در محیط اطراف – خاک و محصولات دورریز حاصل از تولید برنج - ایجاد کرد. Gaia که برای تبدیل شدن به یک مدل خانه‌ی سازگار با محیط‌زیست طراحی شده بود، با استفاده از یک جرثقیل WASP و یک پرینتر سه‌بعدی با مقیاس بزرگ پرینت شد. طراحی دیوار به صورت راه راه، فضایی را برای عایق حرارتی پوسته برنج و نیز محفظه‌های تهویه در داخل خود دیوارها به وجود می‌آورد که باعث می‌شود فضای داخلی در شرایط جوی سرد و گرم، یک مکان با دمای مناسب باشد. این خانه با چند المان چوبی برای اتصالات پنجره‌ها و سقف، هیچ تأثیر اکولوژیکی نداشته و اتمام آن تقریباً 100 ساعت به طول انجامید.

مریخ

ناسا توانایی‌های پرینت سه‌بعدی را در توسعه‌ی طرحی برای سکونت در مریخ با چالش پرینت سه‌بعدی فضای مسکونی را بررسی می‌کند. برای ورود به رقابت طراحی، AI SpaceFactory پروژه MARSHA (سکونت در مریخ) را  با استفاده از فناوری ساخت که توسط پرینت سه‌بعدی ممکن شده است، پیشنهاد داد. طراحی به صورت یک محل سکونت برای خدمه‌ای متشکل از چهار فضانورد برای ساخت در مریخ است، که تنها بر مصالح قابل استحصال از سطح مریخ در هنگام ساخت وابسته است. مخلوط چاپ به صورت الیاف بازالت (از سطح مریخ) و پلاستیک زیستی تجدید پذیر (به دست آمده از گیاهانی که بر روی مریخ رشد می‌کنند) ارائه شده است، و نیاز به حمل مواد از زمین را حذف می‌کند. طرح AI SpaceFactory به صورت قائم و استوانه‌ای است که پرینت آن را نیز ساده‌تر می‌کند. این گروه اکنون یک نمونه‌ی اولیه با مقیاس 1 به 3 را از MARSHA برای سطح بعدی چالش NASA خواهد ساخت.

تحریریه معماری آرل
منبع: archdaily.com