تقنية الطباعة المركبة ثلاثية الأبعاد في واجهات المباني - composite 3D printing
هذا المقال من العدد (98)، اضغط هنا لرؤية العدد.
المقتطف:
“الجرأة على أن تكون ساذجاً” ، يمكن أن تكون فكرة رائدة لجميع الابتكارات في قطاع البناء هذا ما قاله بكمنستر فولر Buckminster Fuller
هل تؤيد رأيه ! مهلاً ..قبل أن تجيب ..دعنا نقرأ مقالنا هذا
المقدمة :
الطباعة ثلاثية الأبعاد ظهورها، مبادئها ، تطوراتها والآفاق التي فتحتها ..هذا ما سنتعرف عليه في مقالنا هذا
تعتمد الطباعة ثلاثية الأبعاد على مبدأ إنتاج الأجزاء المطلوبة بناء على معطيات افتراضية ذلك من خلال الليزر، غراء الطاقة أو معالجة بالأشعة فوق البنفسجية.
استخدمت الطباعة ثلاثية الأبعاد في عدة مجالات إلا أن التصنيع التجميعي يعتبر الاستخدام الأمثل.
لقد فتح عالم جديد في الهندسة وقدم مجموعة من مواد البناء الموثوقة سواء منها المصنوعة من الخرسانة ، الألومنيوم الفولاذ و البلاستيك عالي الأداء أو الزجاج بطريقة جديدة كلياً .
وبغض النظر عن الاستخدامات المحتملة إلا أن ” التصميم من أجل الوظيفة ” بدلا من ” التصميم من أجل الإنتاج ” هو نقلة نوعية في التفكير الهندسي.
يقدم التصنيع التجميعي طرق جديدة لتجسيد الجزء المادي بما يخدم الوظيفة، يمكن تحقيق تقدُّم بالبضائع نصف المصنعة (ملائمة أقل اندماج أعلى) ليتم بهذا حل الجزء الـأكثر أهمية من الهيكل الحر والسماح بالحصول على مزيج ذكي بالمعايير المعتمدة .
منذ عام 1987 ، تُعرف “النماذج الأولية السريعة” (RP) بأنها إحدى الطرق السريعة لتجسيد مفهوم التصميم بأفكار رقمية وعملية. عن طريق نقل بيانات النموذج ثلاثي الأبعاد إلى أجزاء مادية في مختلف المواد المتاحة، إنها أداة مقبولة في مجموعة واسعة من التخصصات. حدود حجم غرفة المبنى ، وصولاً للأجزاء محدودة الحجم، ظهرت أولاً تطبيقات في عدة مجالات حيث لم تكن المكونات الكبيرة بهذه الأهمية مثل : النماذج المتدرجة وزراعة الأعضاء طبياً والمجوهرات أو حتى قوالب صب أجزاء المحرك كبضائع نصف مصنعة، هي بعض الأمثلة القليلة على هذه التقنية في مجالات التطبيق تلك.
و قد نمت النماذج الأولية السريعة خلال العقدين الأولين من وجودها. و اشتقت أنواع اخرى من التطبيقات من RP أيضا كـ: “الأدوات السريعة” (RT) ، والتي غيرت طريقة الإنتاج الصناعي الضخم حول كيفية صنع أدوات الإنتاج ، بالإضافة إلى “التصنيع السريع” (RM) وهي مصممة بشكل محدد لإنتاج المنتجات النهائية التي يمكن استخدامها على الفور دون الحاجة إلى خطوات إنتاج لاحقة (هوبكنسون ، 2006).حيث أن جميع العمليات التجميعية المتاحة تعتمد على بعض المبادئ الأساسية للإنتاج الأمثل للطبقات ، حيث تضاف المواد كل منها للآخر وجزء مبني طبقة طبقة (انظر الشكل 1).
و يتم فصل التصنيع التجميعي بوضوح عن مبادئ الإنتاج التقليدية مثل التصنيع الطرحي ، حيث يتم أخذ المواد بعيداً عن المواد الخام عن طريق القطع أو الجرش أو الطحن أو ما إلى ذلك ، أو عمليات الإنتاج التكوينية حيث يتم تشكيل المواد الخام في قوالب وأشكال مع صب القوالب والسحب العميق و الانحناء.
نظرة عامة “التصنيع التجميعي” ؛ استخدام وتخصيص مصطلحات مختلفة لمختلف مجالات التصنيع التجميعي.
و قد أدت المتطلبات الأساسية المتغيرة في صناعة AM إلى مزيد من الوعي والقبول خلال السنوات الماضية و أصبح المزيد والمزيد من الناس على دراية بتقنيات AM المتاحة وبدؤوا في استخدامها كأداة إضافية في التصميم الصناعي والهندسة الميكانيكية وغيرها.
أيضاً جزء كبير منها تأتي من التطبيقات والأفكار المطورة حديثاً على طريقة “افعلها بنفسك” في الصناعة.
تعمل شركة Tinkerers في جميع أنحاء العالم على تطوير طابعات ثلاثية الأبعاد مفتوحة المصدر – تسمى “fabbers” (بيرنز ، 1999-2003). من ناحية ومن ناحية أخرى ، يفتح هذا التصنيع اللامركزي للفرد هذا ما يجعل تقنيات AM قابلة للتدريس للمؤسسات والناس العاديون. هذا التطور إضافة إلى افتتاح أسواق جديدة بمتطلبات وأفكار جديدة قدم دعماً كبيراً لنشر فكرة التصنيع التجميعي.
لقد غيرت الثورة الصناعية الأولى صناعة النسيج البريطانية إلى أنوال النسيج الآلي في القرن الثامن العاشر . وقد بدأت تتسارع وتيرة الابتكار التقني لمتابعة تغيير المجتمع من زراعي إلى صناعي .
لتأتي بعدها الثورة الصناعية الثانية في القرن التاسع عشر باختراع خط إنتاج السيارات في الولايات المتحدة الأمريكية بواسطة هنري فورد .
وبالتوازي مع تطوير تقنيات (AM) حصل ما يسمى بالثورة الصناعية الثالثة خلال العقود الثلاثة الماضية (Whadhock, 2012).
المباني المشيدة بالطابعات- نماذج للواجهات
في هذه الخلفية يمكن توقع أن تكون تقنية وبناء الواجهة يتغير مع تطبيق التصنيع التجميعي في إكساء المبنى – تبعاً لوظيفتها وتصنيعها.
بالنسبة للتصاميم المعمارية الفريدة من نوعها ، فإن الواجهة هي الجزء المناسب من المبنى ليوضح المصمم فكرته للعميل.
لكن في البناء يجب تلبية متطلبات البناء المتعلقة بكل نمط بناء و يجب معالجتها ويجب الوفاء بها ، لذا فإن AM هي أداة في متناول اليد تلبي متطلبات إنتاج دفعات جزئية ، مطابقة تماماً للتصميمات الفريدة من نوعها في الهندسة المعمارية.
اليوم بالفعل بدأت الشركات تختبر قابلية تطبيق AM على صناعة الواجهات ، كما هو الحال في صناعة الطيران ، في البداية للمكونات غير الهيكلية فقط (السدادات ، النهاية ، إلخ)
هندسة الشكل الحر :
أحد الأمثلة على التطبيق المبتكر للتقنيات الجديدة هو الطلب على الشكل الحر بناء على تصميم المهندس المعماري.
توجد استراتيجيات مختلفة للتعامل مع الشكل الحر:
– شكل حر حقيقي وهذا يعني أسطح منحنية مضاعفة ، والتي يصعب إنتاجها في معظم الأحيان بمواد البناء.
– الأسطح المكسوة بالفسيفساء : حيث يمكن إجراء تقريب بين الشكل الحر الحقيقي والأسطح المنتهية بسطح شبه حر.
– الأسطح ذات الأوجه : حيث يتم تقسيم الشكل الحر من البداية إلى عناصر مستقيمة ، التي تسمح بالإنتاج القياسي.
. يبدأ بعض المنتجين في فتح إنتاجهم نحو الشكل الحر. لكن كيف تتعامل مع الأسطح المنحنية المزدوجة التي ستظهر للألواح الداخلية؟ كيف يكون تركيب الزجاج لهذه الأسطح؟
هذا يؤدي إلى ابتكار طرق جديدة لإنتاج تلك العناصر المنحنية المزدوجة
باستخدام تقنيات AM: على سبيل المثال باستخدام الزجاج المطبوع ثلاثي الأبعاد – “تصنيع الزجاج المباشر” (Rammig ، 2010)
نظام ثلاثي الأبعاد للواجهات؟
في المستقبل القريب ، قد تكون الحلول للأفكار الهندسية المعقدة مع سلامة عرض النظام ربما تنتج أنظمة هجينة تجمع بين الأجزاء ذات الإنتاج الضخم والأجزاء المخصصة بكميات كبيرة في آن واحد.
و بالنظر في ذلك قد يبدو هذا تناقض لأن عروض النظام والحلول المفصلة لا تتماشى معاً ، ولكن فيما يتعلق بخلفية طويلة الأمد من ذوي الخبرة – وربما أكثر اهمية – عروض النظام المعتمدة ، فمن المنطقي لتطوير واجهة للسوق الغربي اقتصادياً الرجوع إلى إصدارات النظام المعتمدة و المختبرة مع تطبيق تقنيات جديدة في خط الإنتاج وتحقيق المزيد من النتائج مرضية للمهندس والعميل.
وفي النهاية سيكون للمشاريع الفريدة من نوعها المظهر الفردي الذي يحتاجون إليه ، ولكن لديهم أيضًا تفاصيل موثوقة فيما يتعلق بالبناء من حيث الفيزياء والأداء.
التصنيع التجميعي
كجزء جديد من سلسلة الإنتاج سيغير التصنيع التجميعي الطريقة التي نصمم وننتج بها وكذلك كيف نتعامل مع السلع الاستهلاكية وبيئة البناء.
من أجل تحقيق تغييرات ملموسة لبناء الواجهة ودراسات الحالة بمفاهيم تطبيقية واقعية من تقنية الواجهة. في البداية كان من الصعب تحديد مثل هذه الخرسانة بعيداً عن تطبيقات AM ، بسبب عاداتنا في التفكير بطريقة الطرح . ومع ذلك، لقد أدى ذلك إلى فحص مكثف للتقنيات وتحديد الأساليب والنتائج.
تشمل الجوانب ذات الصلة بالدراسات التغيير في طريقة تفكيرنا ليصبح من الملف إلى المصنع ، والنمذجة المتكاملة للبناء (BIM) والمواد الرقمية هي الكلمات الرئيسية في هذه المناقشة المستمرة عصر التصميم والبناء البارامتريين تتقدم بسرعة و من المتوقع أن يتم استخدام AM بشكل حدسي وطبيعي في المستقبل.
عرض عقدة واجهة Nematox
عقدة الواجهة النيماتوكس:
عقدة واجهة Nematox هي نتيجة بحث تعاوني بين الصناعة والأكاديميين.
نفّذ المشروع من عام 2008 إلى عام 2010. ويظهر أن الأمر يستغرق بعض الوقت من بداية الأفكار وصولاً لاختراع موثوق. في هذه الحالة تم إنهاء البحث مع العرض التقديمي من عقدة واجهة Nematox
إنه يمثل قدرة تقنيات AM على أن تكون جنباً إلى جنب مع عروض نظام الواجهة ، ونتيجة لذلك يمكن أن تكون خطوة جديدة نحو الشكل الحر للهندسة في الواجهات (Strauß ، 2010).
و بعد الانتهاء من مشروع البحث ، استغرقت الشركة ما يقرب من ثلاث سنوات لاختيار فكرة النسخ الاحتياطي. لكن بالنظر إليه اليوم ، فإن الوقت الذي مرَّ قد أضاف إلى النهج الواقعي الأولي الكثير من التطوير. خلال السنوات الماضية ، أحرز الكثير من التقدم في تقنيات AM لـ “التصنيع المباشر للمعادن”. انخفضت أوقات الإنتاج ، وتحسين الجودة و انخفضت أسعار أنظمة ومواد إدارة نظام الـ AM انخفاضاً كبيراً.
كما تعمل AM على تحسين المنتج في كل مشروع جديد؛ نظراً لأن الأجزاء تخطط و تصمم على الكمبيوتر ، فلا توجد أدوات إضافية أو حاجة إلى آلات باهظة الثمن. يتم تقليل المهل الزمنية من التصميم إلى الإنتاج بشكل كبير من خلال تطبيق AM في سلسلة الإنتاج هذه.
حتى في عام 2016 ، كانت إضافة كلمة “سريع” مصطلح نسبي نظراً لأنه في AM عملية الإنتاج الفعلية تستغرق عدة أيام. ومع ذلك فإن تطوير المعدات قد وصل إلى مرحلة يتم فيها الجمع بين سرعة معالجة المواد و معدلات تصنيع فعالة “سريعة” مقارنة بالطرق التقليدية.
هذه المقارنة تأخذ في الاعتبار الوقت الذي يستغرقه إنتاج مجموعة أدوات تقليدية (على سبيل المثال صب القوالب ) للطرق التقليدية. لكن السرعة ليست أهم جانب عند التقييم في تقنيات AM. الميزة الرئيسية تكمن في حرية الشكل الكبيرة مقارنة بالطرق التقليدية.
. و عند نقل هذه التكنولوجيا الجديدة الحالية إلى مشاريع واجهة حقيقية ، فإن هذا الابتكار من المحتمل أن يواجه واقع الميزانية للمشاريع المستقبلية. لا يزال المؤلف يؤمن بقوة بإمكانات AM لبناء الواجهة.
و عقدة واجهة Nematox هي إثبات مفهوم التعاون البحثي بين صناعة البناء والبحث الأكاديمي مما يضيف قيمة إضافية للتطبيقات المعروفة (Strauß ، 2013).حيث توجد بالفعل نماذج أولية للمنازل “المطبوعة” ومكونات تشييد المباني كالأكواخ والأجنحة الأصغر الموجودة (Sandhana ، 2013). و أحد الأمثلة على ذلك هو “KamerMaker” في أمستردام منهج معماري تطبيقي مباشر ، منزل القناة المطبوعة (DUSarchitects ، 2015)
سيؤدي تطوير التطبيقات المتوافقة مع AM إلى تقديم مواد جديدة للواجهة التكنولوجية التي قد تكون أكثر ملاءمة للتصنيع وكذلك للوظائف المطلوبة من المواد التقليدية.
المواد ليست مهمة في المقام الأول ، ولكن يمكن أن تؤدي أيضاً إلى مواد جديدة إذا فكرنا في الكمية الهائلة من صناعة الحديد اللازمة عادة والآن بدأ علماء المواد في إضافة بُعد جديد للطباعة ثلاثية الأبعاد هو بعد رابع – تسمى الطباعة رباعية الأبعاد.
“الجرأة على أن تكون ساذجاً” ، كما قال بكمنستر فولر يمكن أن تكون فكرة رائدة لجميع الابتكارات في قطاع البناء.
اللوائح المعيارية المكثفة ، والمتطلبات الأعلى والأعلى باعتبارها نتيجة قوانين وإرشادات البناء تحد أكثر فأكثر من النهج المتفائل والجريء في الهندسة المعمارية.
تواجه الواجهات اللائقة متطلبات أعلى وأعلى فيما يتعلق في هدف التصميم (الهندسة) والأداء (فيزياء البناء ، التقنية ، الخدمات) للمبنى
ولذلك فإن المهندس لديه إمكانات عالية للابتكار. يبدأ هذا في بناء أساسي للغاية
منزل و واجهة ، وينتهي في “جدار متعدد التكافؤ” لمايك ديفيز (Davies ، 1981)
مثال على واجهة ثلاثية الأبعاد :
لعبت الأدوات ثلاثية الأبعاد دوراً رئيسياً في بروكلين ، نيويورك بواجهة خرسانية تغطي 45 طابقاً بالكامل بتصميم يذكرنا ببلورات السكر لكن إنشاء هذه اللمسة المعمارية يتطلب مزيجاً من المركبات المتقدمة والطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع قوالب متينة لصب النوافذ الخرسانية مسبقة الصب.
طُبع 37 قالباً من 80 قالباً مطلوباً للمشروع بتقنية ثلاثية الأبعاد باستخدام مركب بلاستيكي مملوء بألياف الكربون المقطعة. سمح اختيار المواد المتينة بإعادة استخدام القوالب الخرسانية المطبوعة ثلاثية الأبعاد عدة مرات أكثر من نظيراتها المصنوعة من الخشب.
من خلال حساب AES ، يمكن أن يدعم كل قالب من القوالب المطبوعة ثلاثية الأبعاد ما لا يقل عن 200 صبة خرسانية ، في حين يتم عادةً إزالة قالب الخشب التقليدي من الخدمة بعد 15 إلى 20 استخداماً بعد عدة سنوات من العمل الذي تضمن الطباعة ثلاثية الأبعاد للأدوات وصب الخرسانة وتصنيع النوافذ وشحنها وتركيبها .
التوقعات
حتى بعد ثلاثة عقود من اختراعها لا تزال AM قيد التطوير. و إن العديد من العوامل المختلفة
تضيف إلى الصورة الكاملة إمكاناتها البركانية لعمليات الإنتاج المعروفة.
التطبيق بتنسيق تكنولوجيا البناء ، وخاصة في إكساء المبنى لديه إمكانات كبيرة.
التطور “السريع” على مدى السنوات العشر الماضية يعطي الأمل في مواكبة وتيرة سوق أجهزة الكمبيوتر الشخصية. و المؤشرات هي:
غـــرف أكبر للمباني: ترفع كل عام ، و تتخذ أكبر خطوة بواسطة Voxeljet ألمــانيــــــا حيث تتوفر أكبر غرفة بناء متاحة الآن بحجم 4000 × 2000 × 1000 مم (Voxeljet ، 2015). هذا يوفر إمكانية طباعة تكوين الحجم المباشر- خيام لتشييد المباني – على سبيل المثال الإنشاءات الفولاذية ، النقاط العقدية للهياكل واسعة النطاق. – أوقات إنتاج أسرع: يمكن تحسين السرعة بقياسات مختلفة داخل عمليات AM
واجهات CAD-CAM المتقدمة: المزيد والمزيد من الحلول البرمجية التعاونية ، مع المزيد من الأسطح والوظائف البديهية وتنسيقات الملفات البديلة والتغييرات الأخرى تتحرك نحو “الإنتاج الرقمي ، إحدى الأدوات هي AM ، والأدوات الأخرى عالية السرعة للطحن ، القطع بالماء النفاث المناشير CNC و مراكز الطحن CNC وغيرها الكثير. من التكنولوجيا الهجينة.
الخاتمة:
اذاً وبعد أن شملت الثورات الصناعية أغلب المجالات وصولاً إلى عالم البناء والنقلة النوعية التي أحدثتها الطباعة ثلاثية الأبعاد وما أثبتته خلال مسيرة تطورها من قدرة على الخلق، الابتكار و التفرد ورؤية جديدة لمواد بناء تقليدية ، ما الجديد الذي ننتظره في عالم البناء؟
معرض الصور:
المراجع:
فريق الإعداد:
إعداد: م.عطاء يوسف
نشر إلكتروني: وفاء الشيخ
التدقيق العلمي: م.تانيا ابراهيم
التدقيق اللغوي: تقى اجنيد
