پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) روشی تازه برای چاپ سهبعدی سازههای بتنی توسعه دادهاند که میتواند مصرف بتن را تا ۷۶ درصد کاهش دهد و در عین حال، استحکام سازهها را حفظ کند.
این فناوری با چاپ سهبعدی یک پل بتنی ۲.۳ متری آزمایش شد که توانست بیش از ۲ هزار پوند، معادل حدود ۹۰۷ کیلوگرم بار را تحمل کند. پژوهشگران معتقد هستند این روش میتواند مسیر ساخت سازههای بتنی را متحول کند و نقش مهمی در کاهش انتشار کربن صنعت ساختمان داشته باشد.
صنعت ساختوساز یکی از بزرگترین منابع انتشار گازهای گلخانهای در جهان محسوب میشود و تولید سیمان و بتن سهم قابل توجهی در این آلودگی دارد. به همین دلیل، مهندسان سالها است به دنبال روشهایی هستند که بدون کاهش استحکام سازه، میزان مصرف بتن را کاهش دهند. چاپ سهبعدی بتن یکی از امیدوارکنندهترین فناوریها در این زمینه است، اما تاکنون محدودیتهای فنی چاپگرهای بزرگ مانع از تولید سازههای کاملاً بهینه شده بود.
در روشهای رایج، نرمافزارهای مهندسی میتوانند سازههایی با شکلهای بسیار پیچیده و از نظر مصرف مصالح کاملاً بهینه طراحی کنند، اما این طرحها معمولاً با چاپگرهای سهبعدی قابل اجرا نیستند. نازلهای ضخیم چاپگر، محدودیت در زاویه چرخش، نیاز به چاپ پیوسته و ضخامت مشخص خطوط بتن باعث میشود مهندسان ناچار شوند طرح اولیه را به صورت دستی اصلاح کنند؛ فرایندی که گاهی چند روز زمان میبرد و بخش زیادی از مزیت طراحی بهینه را از بین میبرد.
تیم MIT برای حل این مشکل چارچوبی ریاضی بر پایه روش «بهینهسازی عدد صحیح مختلط» توسعه داده است. این چارچوب به جای آنکه ابتدا سازه را طراحی و سپس آن را برای چاپ اصلاح کند، محدودیتهای واقعی چاپگر را از همان ابتدای فرایند طراحی در نظر میگیرد. در نتیجه، نرمافزار به صورت مستقیم طرحی را تولید میکند که هم از نظر مهندسی بهینه باشد و هم بدون تغییرات اضافی امکان چاپ آن وجود داشته باشد.
ژوزفین کارستنسن، استاد مهندسی عمران MIT و نویسنده ارشد این پژوهش اعلام کرد که پل آزمایشی تنها در حدود ۳۰ دقیقه چاپ شد و برای ساخت آن از ملات آماده موجود در بازار استفاده شد. این موضوع نشان میدهد فناوری جدید به تجهیزات یا مصالح ویژه نیاز ندارد و میتواند با امکانات موجود نیز مورد استفاده قرار گیرد.
پژوهشگران برای آنکه محدودیتهای واقعی چاپگرهای بتن را به طور دقیق شناسایی کنند، با اپراتورهای مرکز فناوری Autodesk در بوستون همکاری کردند. نتیجه این همکاری، شناسایی سه محدودیت اساسی در چاپ سهبعدی بتن بود. نخست اینکه رشتههای بتن باید ضخامت مشخصی داشته باشند تا هنگام چاپ پایدار بمانند. دوم اینکه نازل چاپگر نمیتواند با هر زاویهای تغییر مسیر دهد و شعاع چرخش آن محدود است. سوم اینکه چاپ باید تا حد امکان در یک مسیر پیوسته انجام شود، چرا که توقفهای مکرر کیفیت سازه را کاهش میدهد.
این سه محدودیت به صورت مستقیم وارد الگوریتم طراحی شدند و به نرمافزار اجازه دادند طرحهایی تولید کند که از همان ابتدا قابل اجرا باشند. یکی از نکات جالب این پژوهش زمانی رخ داد که در روز چاپ، تیم تصمیم گرفت ابعاد پل را اندکی کوچکتر کند. در روشهای سنتی این تغییر میتوانست ساعتها یا حتی روزها زمان ببرد، اما الگوریتم جدید تنها در مدت ۵ تا ۱۰ دقیقه نسخه جدید طراحی را آماده کرد.
زین شمر، دانشجوی دکتری MIT و یکی از نویسندگان این پژوهش توضیح داد که پیشرفت الگوریتمهای بهینهسازی در سالهای اخیر باعث شده است حل مسائلی که چند سال پیش غیرممکن به نظر میرسید، اکنون روی یک رایانه شخصی و تنها در چند دقیقه انجام شود.
پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد این فناوری، پلی با وزن حدود ۹۰۰ پوند، معادل تقریباً ۴۰۸ کیلوگرم چاپ کردند. آزمایشهای بارگذاری نشان داد این پل توانست بیش از ۲ هزار پوند، برابر با حدود ۹۰۷ کیلوگرم بار را تحمل کند و تقریباً هیچ خمیدگی محسوسی از خود نشان نداد. نتایج آزمایش نیز با پیشبینیهای نرمافزار کاملا مطابقت داشت و نشان داد مدل ریاضی توسعهیافته از دقت بالایی برخوردار است.
با وجود این، آزمایش یک نتیجه غیرمنتظره نیز به همراه داشت. بررسیها نشان داد پل بسیار مقاومتر از نیاز واقعی طراحی شده است و دلیل این موضوع ویژگیهای بتن نیست، بلکه محدودیتهای خود چاپگر است. به عبارت دیگر، چاپگر برای آنکه بتواند سازه را تولید کند، مهندسان را مجبور میکند از مصالح بیشتری نسبت به مقدار ایدئال استفاده کنند.
همین موضوع پژوهشگران را به یکی از مهمترین یافتههای تحقیق رساند. آنها محاسبه کردند اگر عرض رشتههای بتن چاپشده از ۴ سانتیمتر به تنها ۱ سانتیمتر کاهش یابد، مصرف بتن تا ۷۶ درصد کمتر خواهد شد. این نتیجه نشان میدهد توسعه چاپگرهایی با نازلهای باریکتر میتواند تأثیر بسیار بیشتری نسبت به تغییر فرمول بتن یا طراحی سازه بر کاهش مصرف مصالح و انتشار کربن داشته باشد.
یکی دیگر از مزایای این فناوری، حذف قالببندی سنتی است. از آنجا که شکل سازه بهگونهای طراحی میشود که نیروهای فشاری را به بهترین شکل تحمل کند، دیگر نیازی به قالبهای پرهزینه و یکبارمصرف وجود ندارد. این ویژگی میتواند چاپ سهبعدی بتن را به گزینهای مناسب برای ساخت سریع پلها، زیرساختهای موقت و سازههای مورد نیاز در مناطق آسیبدیده از بلایای طبیعی تبدیل کند.
البته این فناوری هنوز با چالشهایی روبهرو است. بتن مقاومت بسیار بالایی در برابر فشار دارد، اما در برابر نیروهای کششی آسیبپذیر است. پژوهشگران مشاهده کردند که پل هنگام بلند شدن از یک گوشه دچار شکست شد. به همین دلیل، مرحله بعدی این پروژه روی توسعه بتن مسلح قابل چاپ سهبعدی و یافتن راهکاری برای ادغام میلگرد در فرایند چاپ متمرکز خواهد بود؛ موضوعی که از مهمترین چالشهای فنی این فناوری به حساب میآید.
پژوهشگران MIT معتقد هستند ترکیب الگوریتمهای پیشرفته طراحی با نسل جدید چاپگرهای دقیقتر میتواند آینده ساختوساز را دگرگون کند. اگر این فناوری به مرحله تجاری برسد، ساخت سازههای بتنی با مصرف بسیار کمتر مصالح، هزینه پایینتر، سرعت بالاتر و اثرات زیستمحیطی کمتر به واقعیتی دستیافتنی تبدیل خواهد شد.
