چاپ سه بعدی بتن با الهام از پوسته خرچنگ

به گزارش اخبار ساختمان، فناوری دیجیتال ساخت مواد مانند پرینترهای سه‌بعدی تولید بتن باعث صرفه‌جویی در وقت، کار و مواد می‌شود. این فناوری همچنین به نوآوری در سازه‌های معماری کمک خواهد کرد اما هنوز مشکلات فنی در ساخت این بتن‌های پرینت سه‌بعدی وجود دارد. از جمله اینکه آن‌ها باید به اندازه‌ی کافی قوی و مستحکم باشند که بتوان آزادانه از آنها برای ساخت بناهایی بدون قالب و شکل خاص استفاده کرد.

محققان موسسه‌ی سلطنتی فناوری ملبورن (RMIT) در مطالعاتی جدید با بررسی استحکام طبیعی پوسته شاه میگو (لابستر) دست به ساخت الگوهایی خاص برای پرینترهای سه‌بعدی زدند.

الگوهای مارپیچی که با تقلید از پوسته به دست آوردند باعث افزایش دوام کلی بتن‌های چاپ سه‌بعدی و همچنین مقاومت بیشتر آن در جهت پشتیبانی سازه در صورت لزوم می‌شود.

هنگامی که این گروه این الگوهای پیچشی را با یک بتن مخصوص که با الیاف فولاد تقویت شده بود ترکیب کردند، ماده به دست آمده قوی‌تر از بتن‌های سنتی قدیمی بود.

دکتر جاناتان تران (Jonathan Tran ) سرپرست تحقیقات می‌گوید: فناوری چاپ سه‌بعدی و تولید مواد فرصتی برای افزایش کارایی و خلاقیت در ساخت و ساز ایجاد می‌کند.

تران که مدرس ارشد مواد ساختاری و طراحی در RMIT است،‌ افزود: فناوری چاپ سه‌بعدی پتانسیلی واقعی برای ایجاد انقلابی در صنعت ساخت و ساز دارد و هدف ما این است که این تحول را نزدیک‌تر کنیم.

مطالعه ما به بررسی تاثیر الگوهای ساختاری بر استحکام سازه‌های چاپ سه‌بعدی می‌پردازد و برای اولین بار مزایای الهام گرفتن از محیط‌زیست را نشان می‌هد. ما می‌دانیم که مواد طبیعی مانند اسکلت‌های بیرونی خرچنگ‌ها در طی میلیون‌ها سال به ساختارهایی با عملکرد بالا تبدیل شده‌اند، بنابراین با تقلید از نقاط مثبت آن‌ها می‌توانیم نوآوری‌های پیشین طبیعت را دنبال کنیم.

چاپ سه بعدی برای ساخت و ساز

بتن‌ریزی خودکار نحوه‌ی ساخت و ساز ما را تغییر خواهد داد. اما برخلاف رویکرد سنتی ریختن بتن در قالب، یک چاپگر سه‌بعدی مواد را لایه لایه روی هم قرار می‌دهد تا سازه‌ها و خانه‌ها را بسازد.

با این فناوری جدید می‌توان در عرض ۲۴ ساعت یک خانه را با نصف قیمت معمول ساخت، این در حالی است که ساخت اولین مجموعه‌ی سازه‌ها با پرینتر سه‌بعدی در سال ۲۰۱۹ در مکزیک آغاز شده است.

این صنعت نوظهور در حال حاضر از نوآوری‌های معماری و مهندسی مانند ساختمان اداری ساخته شده با پرینتر سه‌بعدی در دبی، پل بتنی با تقلید از طبیعت در مادرید و "ساختمان بادبان شکل اروپا" در هلند پشتیبانی می‌کند.

گروه تحقیقاتی در دانشکده مهندسی RMIT با تمرکز بر بتن چاپ سه‌بعدی، به دنبال یافتن راه‌هایی برای بهبود محصول نهایی هستند و مواردی چون طراحی الگوی چاپ، مواد مورد استفاده، مدل سازی، بهینه‌سازی طراحی و گزینه های تقویت کننده دیگر را بررسی و ترکیب می‌کنند.

الگوهای چاپ

متعارف‌ترین الگوی مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی الگوی یک جهته است طوری که لایه‌ها به صورت خطوط موازی روی هم قرار می‌گیرند.

مطالعاتی که به تازگی در مورد مشکلات خاص پرینترهای سه‌بعدی منتشر شده است تاثیر الگوهای خاص بر استحکام بتن ترکیب شده با الیاف فولاد را نشان می‌دهد.

تحقیقات قبلی توسط تیم RMIT نشان داد که گنجاندن ۱ تا ۲ درصد الیاف فولادی در مخلوط بتن باعث کاهش نقص و تخلخل و افزایش مقاومت آن می‌شود. الیاف همچنین به سریع‌تر سفت شدن بتن بدون تغییر شکل و ساخت سازه‌هایی بلندتر کمک می‌کنند.

این گروه تأثیر الگوهای پیچ‌وار (با الهام از ساختار داخلی پوسته خرچنگ دریایی)، الگوهای متقاطع و شبه ایزوتروپیک (مشابه نمونه‌هایی که برای ساختارهای چند لایه کامپوزیت استفاده می‌شود) و الگوهای استاندارد یک جهته را بر چاپ بتن بررسی کردند.

پشتیبانی از ساختارهای پیچیده

نتایج نشان دهنده‌ی قدرت بیشتر این الگوهای جدید در مقابل الگوهای یک جهته معمول بود. اما ترن می‌گوید، الگوی مارپیچ برای ساخت ساختارهای پیچیده از همه مناسب‌تر است.

وی افزود: از آنجا که پوسته خرچنگ دریایی به طور طبیعی قوی و منحنی است، ما می‌دانیم که این الگو می‌تواند به ما در ساخت ساختارهای قوسی شکل و پیچ و تاب خورده کمک کند. این کار در مراحل اولیه است، بنابراین ما نیاز به تحقیقات بیشتری داریم تا عملکرد بتن را در طیف وسیع‌تری از پارامترها بررسی کنیم، اما نتایج اولیه آزمایش ما نشان می‌دهد که در مسیر درستی قرار داریم.

مطالعات بیشتر از طریق یک چاپگر سه‌بعدی بتنی متحرک در مقیاس بزرگ که اخیراً توسط موسسه RMIT خریداری شده است ادامه خواهد یافت و این اولین موسسه تحقیقاتی در نیمکره جنوبی است که دستگاهی از این نوع دارد.

این چاپگر رباتیک با ابعاد پنج در پنج متر توسط این گروه تحقیقاتی برای تحقیق در مورد چاپ سه‌بعدی خانه‌ها، ساختمان‌ها و اجزای سازه‌ای بزرگ استفاده خواهد شد.

این تیم همچنین از این دستگاه برای فهمیدن اینکه آیا می‌توان بتن این چاپگرها را از مواد بازیافتی مانند پلاستیک‌ها ساخت استفاده می‌کند.

این کار پروژه‌ای جدید با شرکای صنعتی Replas و SR Engineering است و بر روی دیوارهای عایق صوتی که از پلاستیک‌های نرم و بتنی بازیافتی ساخته شده‌اند تمرکز دارد.

ایسنا