نزدیک به 40 سال است که پرینت سه بعدی به روشی برای تولید تبدیل شده است. به احتمال زیاد، بیشتر شما با روش کار آن آشنا هستید؛ چه برای ساخت وسایل سفارشی مانند مجمسمه‌ها، گلدان‌ها و گجت‌ها، و چه برای تولید اجزای حرفه‌ای مانند اندام‌های مصنوعی، لوازم پزشکی و قطعات خودرو.
در عین حال نیز، حدود یک دهه است که پرینت سه بعدی برای ساخت سازه‌های عظیم و بزرگ مانند پل‌ها، پناهگاه‌ها، خانه‌ها و دفترهای کار هم استفاده می‌شود. قابلیت پرینت ساختمان آنقدر عمیق است که ممکن است تحول بزرگی در صنعت ساخت و ساز به وجود آورد و به واسطه آن بتوان خانه‌های ارزان قیمتی را در مدت زمان کوتاهی آماده کرد تا در اختیار افراد نیازمند قرار بگیرند.
اما چگونه می‌توانید یک خانه را پرینت سه بعدی کنید؟ در این گفتار، علاوه بر روش‌های مختلف به مواد و دستگاه‌های قابل استفاده نیز می‌پردازیم.
زمینه: مواد
روش‌های پرینت سه بعدی خانه ارتباط تنگاتنگی با موادی مورد استفاده دارند. بدیهی است که گزینه‌های زیادی در این راستا یافت می‌شود و هرکدام نیز از مزایا و معایب به خصوصی برخوردار است. برخی از دسته‌بندی‌های اصلی شامل این مواد می‌شوند:
- بتن
- ملات
- پلاستیک
- منابع محلی
- ماسه
- فلز
لازم است به خاطر داشته باشید که هریک از روش‌های ساخت و مواد مورد استفاده با شرایط زیست محیطی خاصی سازگار است و همه آن‌ها را نمی‌توان در همه جا به کار برد. شرایط آب و هوایی منطقه بر انتخاب این موارد تاثیرگذار است اما در کنار آن، مسائل اقتصادی و امکان دسترسی نیز اثر مستقیمی در تصمیم‌گیری دارند؛ دو مورد آخر، به ویژه در نقاطی از دنیا که مسائل اقتصادی و همچنین ساخت خانه‌های ایمن اهمیت بیشتری دارند، نقش پررنگ‌تری به خود می‌گیرند.
لایه نشانی بتن
در حال حاضر، روش لایه‌نشانی بتن به دلیل انسجام و یکپارچگی ساختاری که ایجاد می‌کند، محبوب‌ترین روش پرینت سه بعدی ساختمان است.
شیوه کار در اینجا تا حدودی شبیه به پرینترهای رومیزی FDM و ماشین‌کاری CNC است. در بیشتر موارد یک چارچوب و یک ریل وجود دارد تا هد پرینت امکان حرکت داشته باشد. یک بازو در سرتاسر ریل حرکت می‌کند و با اکسترود مواد بتنی از یک نازل، سازه را لایه به لایه می‌سازد. همچنین، مانند شرکت Apis Core، در این روش می‌توان از یک بازوی رباتیک استفاده کرد.
اکنون، سازه‌ها و ساختمان‌های بسیاری در دنیا یافت می‌شوند که با این روش ساخته شده‌اند. یکی از این موارد مشهور، خانه‌ای در شهر آیندهوون هلند است که در پروژه‌ای به نام مایل‌استون ساخته شد. در این پروژه، یک پرینتر با بزرگ‌ترین اندازه ممکن به کار گماشته شد و ساختمان خانه را به طور یک‌تکه در خود محل بنا کرد. همزمان نیز در شهر چنای هند، یک شرکت به نام Tvasta توانست اولین خانه پرینت سه بعدی هند را در پردیس دانشگاه فناوری مادراس هند بسازد.
شکل‌دهی ماسه
در این فرآیند که نخستین بار در ایتالیا توسعه یافت، لایه‌های ماسه به طور خیلی دقیق لایه‌نشانی می‌شوند. هر لایه به همراه یک عامل چسبان به سمت بیرون پاشش می‌شود تا جامد شود. این روش ساخت افزایشی برای مدت زیادی و به صورت گسترده برای تولید قطعات کوچک‌تر استفاده می‌شده است، اما اکنون به روشی برای ساخت سازه‌های بزرگ‌تر شناخته می‌شود. فرآیند شکل‌دهی ماسه در مقایسه با لایه‌نشانی بتن، به نیروی کار و زمان بیشتری نیاز دارد، اما استفاده از آن در کشورهای خشک و گرم مزیت‌هایی به همراه دارد.
«D Shape’s UnaCasaTuttaDiUnPezzo» نام خانه‌ای است که به احتمال زیاد اولین خانه پرینت سه بعدی باشد که تنها در یک مرحله ساخته شده است. برخلاف بسیاری از ساختمان‌های پرینت سه بعدی بتنی که در محل ساخته می‌شوند، این سازه ابتدا در جای دیگری ساخته شد و سپس به ملک شخصی مارکو فراری، معمار این ساختمان که بر فراز تپه‌ای قرار داشت، برده شد.
بعد از خانه مارکو فراری، با ساخت اقامتگاه‌های زیبای منطقه کیساوا واقع در موزامبیک، این ایده برای بار دیگر بازآفرینی شد. بدنه اصلی همه ساختمان‌ها با استفاده از شکل‌دهی ماسه ساخته شده است؛ بنابراین در طول روز داخل آن‌ها خنک می‌مانند و در طول شب نیز گرم می‌شوند.
لایه نشانی پلاستیک
بیشتر علاقه‌مندان پرینت سه بعدی به اندازه کافی با پلاستیک‌ها و مشتقات پلاستیکی آشنا هستند. حتی شاید بسیاری از آن‌ها با استفاده از PLA، ABS، TPU یا PETG به تولید مدلی برای خود پرداخته باشند. تصور کنید شما هم می‌توانستید یک کلبه یا خانه‌ای با اندازه‌های واقعی را با پلاستیک پرینت کنید! این کار همین الان هم شدنی است. در واقع با یک پرینتر سه بعدی مقیاس بزرگ که طبق اصول پرینترهای استاندارد خانه‌سازی کار می‌کند، می‌توانید یک خانه را با پلاستیک پرینت سه بعدی کنید. اما بدیهی است که نمی‌توان از همه انواع فیلامان‌های پلاستیکی استفاده کرد، زیرا یک ساختمان در محیط باز و در معرض بسیاری از عوامل محیطی قرار می‌گیرد.
یکی از مزایای مهم استفاده از پلاستیک در پرینت سازه‌ها این است که می‌توان قطعات را در خارج از محل پرینت و سپس در محل اصلی سرهم کرد. اکنون شرکت‌های در حال توسعه‌ای هستند که می‌توانند همه اجزای یک خانه کامل را در کارخانه و تنها در 24 ساعت پرینت می‌کنند؛ سپس آن‌ها را به محل موردنظر ارسال می‌کنند و در مدت زمان مشابهی به نصب اجزای خانه می‌پردازند.
شرکت Azure Printed Homes یکی از همین شرکت‌ها است که با استفاده از پلاستیک‌های بازیافت‌شده و مواد پسماند، خانه‌های کوچک و دفترهای کار خانگی را پرینت می‌کند. در جای دیگر، شرکت معماری DUS برای تولید پناهگاه‌های کوچک و مجزای خود، از موادی با پایه زیستی استفاده کرده است. آن‌ها می‌خواستند این سازه‌های کوچک را در مناطقی قرار دهند که در سابق کاربرد صنعتی داشته‌اند تا به توسعه دوباره فضاهای سبز بپردازند. افراد مختلف نیز می‌توانند از این فضاهای ساکت دیدن کنند و از آرامشی که در آن‌ها وجود دارد، لذت ببرند.
لایه نشانی پسماند بازیافت شده
در بخش پرینت سه بعدی سازه‌های پلاستیکی دیدیم که اکنون، استفاده از مواد جایگزین در عرصه ساخت و ساز با پرینت سه بعدی بسیار مطرح است و البته که این ایده تنها به مواد پلاستیکی محدود نمی‌شود.
منظور از مواد پسماند فقط پلاستیک‌های بازیافتی نیستند، بلکه فلزات، محصولات کاغذی و پسماندهای زیستی را هم شامل می‌شود. شاید به کارگیری چنین موادی برای ساخت یک خانه به ذهن خطور نکند، اما افراد نوآور در مقابله با بسیاری از بحران‌ها تلاش می‌کنند هنجارشکنی کنند و برای استفاده از مواد موجود، راه‌حل‌های مناسبی ارائه کنند.
برای نمونه، شرکت WASP برای ساخت خانه گایا، مقدار فوق‌العاده زیادی پسماند برنج به کار برد. به طور خاص، ترکیبی که آن‌ها استفاده کردند شامل 25% خاک، 40% کاه خردشده برنج، 25% پوسته برنج و 10% آهک هیدرولیک بود. همانطور که شاید حدس زده باشید، این مواد از منابع محلی همان منطقه هستند و برخی از آن‌ها نیز در اطراف خود محوطه کارگاهی ساختمان یافت شدند. شرکت WASP خانه‌ها را با پرینتر خود به نام Crane پرینت می‌کند. این پرینتر در حقیقت یک دستگاه لایه‌نشانی عظیم است که برای استفاده در محل طراحی شده است، به گونه‌ای که میتواند عملیات ساخت و ساز را در عرض چند روز به اتمام برساند.
لایه نشانی خاک و خاک رس
پیش از این اشاره کردیم که شرکت WASP از خاک برای ساخت و ساز استفاده کرده است، اما علاوه بر آن، پروژه‌های دیگری نیز وجود دارند که در آن‌ها از خاک و مواد مشابه آن بهره‌برداری می‌شود.
مهم‌ترین مزیت استفاده از خاک، گل‌ولای و خاک رس در خانه‌سازی با پرینت سه بعدی این است که منابع این مواد به فراوانی یافت می‌شوند. هزینه‌های ساختمان و زمانبندی ساخت آن، تا حد زیادی به خرید و ارسال مواد بستگی دارد، بنابراین، مزیت استفاده از موادی که در خود محل وجود دارند در اینجا به چشم می‌آید.
یک نمونه از این امر، شرکت WASP است که در پروژه خود به نام TECLA، خاک منابع محلی را با همان پرینتر خودش لایه به لایه پرینت می‌کند. پرینتر Crane با بیشینه توانایی بنای 50 متر مربع، میتواند یک ساختمان بزرگ را در عرض چند روز بسازد.
روش‌های دیگر
آنچه در طراحی و ساخت خانه‌های پرینت سه بعدی اهمیت دارد، نوآوری است و تا این لحظه متوجه شده‌ایم که برای رسیدن به آن رویکردهای متفاوتی وجود دارد. تا اینجای کار، به مهم‌ترین آن‌ها پرداخته‌ایم؛ اما پروژه‌های برجسته‌ای نیز وجود دارند که در هیچ یک از دسته‌بندی‌های بالا قرار نمی‌گیرند.
یک نمونه از آن‌ها، خانه Yhnova واقع در شهر نانت فرانسه است. در حقیقت، دیوارهای این خانه از دو پوسته پلی‌اورتانی تشکیل شده که بین آن‌ها را بتن پر کرده است. پوسته دیوارها با یک بازوی رباتیک پرینت شده است که یک حسگر لیزری بر اساس ماکت خانه آن را هدایت می‌کرده است. احتمال می‌رود خانه Yhnova اولین خانه پرینت سه بعدی دارای سکنه در اروپا باشد و این عنوان کمی نیست!
بقیه نمونه‌های خلاقانه شامل ساختمان‌های شرکت Mighty Building می‌شوند که از جمله آن‌ها می‌توان به «خانه Quatro»، «The Super Quatro» و «ویلای دو طبقه» اشاره کرد. در همه این موارد از کامپوزیت‌های سنگی استفاده شده که خود کامپوزیت‌ها در کارخانه پرینت شده‌اند؛ پرداخت سنگ‌ها با ماشین انجام شده و قبل از اینکه در محل مونتاژ شوند، به عمل آورده شدند. این مواد سنگی سبک به گونه‌ای توسعه یافته‌اند که هرگاه در معرض پرتوی فرابنفش قرار بگیرند، به یک کامپوزیت شبه سنگی به عمل بیایند؛ همچنین، هر لایه از آن‌ها با فیبر شیشه تقویت شده است تا بدین ترتیب از محکم بودن ساختار دیوارها، کف و سقف اطمینان حاصل شود.
بخش ویژه: شکل‌دهی فلز
پرینت سه بعدی فلز هنوز به طور کامل در زمینه ساخت و ساز سه بعدی به کار نرفته است، اما یکی دیگر از روش‌هایی است که چنین قابلیتی را دارد. چشمگیرترین سازه‌ای که تا به حال با استفاده از این روش ساخته شده، پلی در آمستردام است که از روی یک کانال می‌گذرد. خلاقیت و نوآوری شرکت MX3D در استفاده از این روش با ساخت سازه‌های جالبی از جمله همین پل دیده می‌شود.
در این روش، یک بازوی رباتیک در کنار یک ماشین جوشکاری قرار می‌گیرد و بدنه را می‌سازد. شاید این شیوه از نقطه نظر ساخت یک خانه با پرینت سه بعدی، روش کاملی نباشد، زیرا فقط میتواند اسکلت خانه را بسازد. اما از نظر مصرف زمان و نیروی کار، قطعا یک روش مقرون به صرفه خواهد بود.
