تعد الطباعة ثلاثية الأبعاد بتحويل العمارة إلى الأبد – وإنشاء أشكال تفجر مباني اليوم خارج الماء

في الهندسة المعمارية ، نادراً ما تظهر مواد جديدة.

لقرون ، شكل الخشب والبناء والخرسانة الأساس لمعظم الهياكل على الأرض.

في ثمانينيات القرن التاسع عشر ، أدى اعتماد الإطار الفولاذي إلى تغيير العمارة إلى الأبد. سمح الفولاذ للمهندسين المعماريين بتصميم مباني أطول بنوافذ أكبر ، مما أدى إلى ظهور ناطحات السحاب التي تحدد أفق المدينة اليوم.

منذ الثورة الصناعية ، اقتصرت مواد البناء إلى حد كبير على مجموعة من العناصر ذات الإنتاج الضخم. من العوارض الفولاذية إلى ألواح الخشب الرقائقي ، فإن هذه المجموعة الموحدة للأجزاء قد استرشدت بتصميم وبناء المباني لأكثر من 150 عامًا.

قد يتغير ذلك قريبًا مع التقدم في ما يسمى “التصنيع الإضافي على نطاق واسع”. لم يحدث منذ اعتماد الإطار الفولاذي تطور ذو إمكانات كبيرة لتغيير طريقة تصميم المباني وإنشائها.

يتضمن التصنيع الإضافي واسع النطاق ، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد لسطح المكتب ، بناء كائنات طبقة واحدة في كل مرة. سواء كانت من الطين أو الخرسانة أو البلاستيك ، يتم بثق مادة الطباعة في حالة سائلة وتتصلب في شكلها النهائي.

بصفتي مدير معهد الهياكل الذكية بجامعة تينيسي ، فقد كنت محظوظًا للعمل في سلسلة من المشاريع التي تنشر هذه التكنولوجيا الجديدة.

في حين أن بعض الحواجز التي تحول دون التبني الواسع لهذه التكنولوجيا لا تزال موجودة ، يمكنني أن أتوقع مستقبلًا تُبنى فيه المباني بالكامل من مواد معاد تدويرها أو مواد مصدرها في الموقع ، بأشكال مستوحاة من هندسة الطبيعة.

نماذج واعدة

ومن بين هؤلاء ، جناح Trillium Pavilion ، وهو عبارة عن هيكل في الهواء الطلق مطبوع من بوليمر ABS المعاد تدويره ، وهو بلاستيك شائع يستخدم في مجموعة واسعة من المنتجات الاستهلاكية.

تم استلهام أسطح الهيكل الرفيعة المزدوجة المنحنية من بتلات الزهور التي تحمل الاسم نفسه. تم تصميم المشروع من قبل الطلاب ، وتم طباعته بواسطة Loci Robotics وتم بناؤه في University of Tennessee Research Park في Cherokee Farm في نوكسفيل.

تشمل الأمثلة الحديثة الأخرى للتصنيع الإضافي واسع النطاق Tecla ، وهو مسكن نموذجي تبلغ مساحته 450 قدمًا مربعًا (41.8 مترًا مربعًا) صممه Mario Cucinella Architects وطُبع في ماسا لومباردا ، وهي بلدة صغيرة في إيطاليا.

طبع المهندسون المعماريون تيكلا من طين مصدره نهر محلي. خلق المزيج الفريد لهذه المادة الرخيصة والهندسة الشعاعية شكلاً موفرًا للطاقة من المساكن البديلة.

بالعودة إلى الولايات المتحدة ، دخلت شركة الهندسة المعمارية Lake Flato في شراكة مع شركة تكنولوجيا البناء ICON لطباعة الجدران الخارجية الخرسانية لمنزل يطلق عليه اسم “House Zero” في أوستن ، تكساس.

يُظهر المنزل الذي تبلغ مساحته 2000 قدم مربع (185.8 مترًا مربعًا) سرعة وكفاءة الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، ويعرض الهيكل تباينًا ممتعًا بين جدرانه المنحنية وإطاره الخشبي المكشوف.

عملية التخطيط

يشمل التصنيع الإضافي على نطاق واسع ثلاثة مجالات معرفية: التصميم الرقمي والتصنيع الرقمي وعلوم المواد.

للبدء ، يقوم المهندسون المعماريون بإنشاء نماذج كمبيوتر لجميع المكونات التي ستتم طباعتها. يمكن لهؤلاء المصممين بعد ذلك استخدام البرنامج لاختبار كيفية استجابة المكونات للقوى الهيكلية وتعديل المكونات وفقًا لذلك. يمكن أن تساعد هذه الأدوات المصمم أيضًا في معرفة كيفية تقليل وزن المكونات وأتمتة عمليات تصميم معينة ، مثل تجانس التقاطعات الهندسية المعقدة ، قبل الطباعة.

ثم يقوم جزء من البرنامج يُعرف باسم أداة التقطيع بترجمة نموذج الكمبيوتر إلى مجموعة من الإرشادات للطابعة ثلاثية الأبعاد.

قد تفترض أن الطابعات ثلاثية الأبعاد تعمل على نطاق صغير نسبيًا – فكر في حافظات الهواتف المحمولة وحاملات فرش الأسنان.

لكن التقدم في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد سمح للأجهزة بالارتقاء بطريقة جادة. تتم الطباعة أحيانًا عبر ما يسمى بالنظام القائم على جسر الرافعة – وهو إطار مستطيل من القضبان المنزلقة يشبه طابعة سطح المكتب ثلاثية الأبعاد. يتم استخدام الأذرع الروبوتية بشكل متزايد نظرًا لقدرتها على الطباعة في أي اتجاه.

يمكن أن يختلف موقع الطباعة أيضًا. يمكن طباعة المفروشات والمكونات الصغيرة في المصانع ، بينما يجب طباعة المنازل بأكملها في الموقع.

يمكن استخدام مجموعة من المواد لتصنيع المواد المضافة على نطاق واسع. تعتبر الخرسانة خيارًا شائعًا نظرًا لمعرفتها ومتانتها. الطين هو بديل مثير للاهتمام لأنه يمكن حصاده في الموقع – وهو ما فعله مصممو Tecla.

لكن يمكن أن يكون للبلاستيك والبوليمرات أوسع استخدامات. هذه المواد متعددة الاستخدامات بشكل لا يصدق ، ويمكن صياغتها بطرق تلبي مجموعة واسعة من المتطلبات الهيكلية والجمالية المحددة. يمكن أيضًا إنتاجها من مواد معاد تدويرها ومشتقة عضويًا.

إلهام من الطبيعة

نظرًا لأن التصنيع الإضافي يبني طبقة تلو الأخرى ، باستخدام المواد والطاقة اللازمتين فقط لصنع مكون معين ، فهي عملية بناء أكثر كفاءة بكثير من “طرق الطرح” ، والتي تتضمن قطع المواد الزائدة – فكر في طحن شعاع خشبي من الشجرة .

حتى المواد الشائعة مثل الخرسانة والبلاستيك تستفيد من الطباعة ثلاثية الأبعاد ، حيث لا توجد حاجة لقوالب أو قوالب إضافية.

يتم إنتاج معظم مواد البناء اليوم بكميات كبيرة على خطوط التجميع المصممة لإنتاج نفس المكونات. مع تقليل التكلفة ، لا تترك هذه العملية مساحة كبيرة للتخصيص.

نظرًا لعدم وجود حاجة للأدوات أو النماذج أو القوالب ، فإن التصنيع الإضافي على نطاق واسع يسمح لكل جزء بأن يكون فريدًا ، دون أي عقوبة زمنية لزيادة التعقيد أو التخصيص.

ميزة أخرى مثيرة للاهتمام لتصنيع المواد المضافة على نطاق واسع هي القدرة على إنتاج مكونات معقدة مع الفراغات الداخلية. قد يسمح هذا يومًا ما بطباعة الجدران مع وجود قناة أو مجاري بالفعل في مكانها.

بالإضافة إلى ذلك ، يجري البحث لاستكشاف إمكانيات الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد ، وهي تقنية يمكن أن تسمح للنوافذ والعزل والتعزيز الهيكلي – حتى الأسلاك – بالتكامل الكامل في مكون مطبوع واحد.

أحد جوانب التصنيع الإضافي الذي يثيرني أكثر هو الطريقة التي تعكس بها طبقة البناء ، مع مادة تصلب ببطء ، العمليات الطبيعية ، مثل تشكيل القشرة.

يفتح هذا نوافذ للفرص ، مما يسمح للمصممين بتنفيذ أشكال هندسية يصعب إنتاجها باستخدام طرق بناء أخرى ، ولكنها شائعة في الطبيعة.

يمكن للإطارات الهيكلية المستوحاة من البنية الدقيقة لعظام الطيور أن تخلق مشابك خفيفة الوزن من الأنابيب ، بأحجام مختلفة تعكس القوى المؤثرة عليها. يمكن تصميم الواجهات التي تستحضر أشكال أوراق النبات لتظليل المبنى في نفس الوقت وإنتاج الطاقة الشمسية.

التغلب على منحنى التعلم

على الرغم من العديد من الجوانب الإيجابية لتصنيع المواد المضافة على نطاق واسع ، إلا أن هناك عددًا من العوائق التي تحول دون اعتماده على نطاق واسع.

ربما يكون أكبر ما يجب التغلب عليه هو حداثته. هناك بنية تحتية كاملة مبنية حول الأشكال التقليدية للبناء مثل الصلب والخرسانة والخشب ، والتي تشمل سلاسل التوريد وقوانين البناء. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة أجهزة التصنيع الرقمي مرتفعة نسبيًا ، ولم يتم بعد تدريس مهارات التصميم المحددة اللازمة للعمل مع هذه المواد الجديدة على نطاق واسع.

من أجل اعتماد الطباعة ثلاثية الأبعاد في الهندسة المعمارية على نطاق أوسع ، ستحتاج إلى إيجاد مكانتها المناسبة. على غرار الطريقة التي ساعدت بها معالجة الكلمات في نشر أجهزة كمبيوتر سطح المكتب ، أعتقد أنه سيكون تطبيقًا محددًا لتصنيع المواد المضافة على نطاق واسع سيؤدي إلى استخدامها الشائع.

ربما ستكون قدرتها على طباعة إطارات هيكلية عالية الكفاءة. كما أنني أرى بالفعل وعدها بإنشاء واجهات منحوتة فريدة يمكن إعادة تدويرها وإعادة طباعتها في نهاية عمرها الإنتاجي.

في كلتا الحالتين ، يبدو من المحتمل أن مجموعة من العوامل ستضمن أن المباني المستقبلية ، في جزء ما ، ستتم طباعتها ثلاثية الأبعاد.