فناوری چاپ سه بعدی می تواند برای ساخت پل به کار گرفته شود، اما هنوز عواملی وجود دارند که مانع از به کارگیری آن می شوند.

تکامل فناوری چاپ سه بعدی در دو دهه گذشته، باعث محبوبیت روزافزون آن در صنایع خودروسازی و هوافضا و همچنین در تولید تجهیزات پزشکی شده است . این فناوری در بخش ساخت و ساز کمتر رایج است و بیشتر سرمایه گذاری ها به جای صرف در زیرساخت ها، به برنامه های مسکن سازی اختصاص می یابد.

جو بونت، معاون اجرایی شرکت Cowi UK، با تاکید بر اینکه آزمایش فناوری های جدید در پروژه های زیرساختی به دلیل پارامترهای ایمنی چالش برانگیز است، می گوید: « برای نمونه سازی فناوری های جدید در صنایع دیگر، فرهنگ بسیار جا افتاده تری وجود دارد.»

با این حال، برخی از فعالان بازار ساخت و ساز، به ویژه در اروپا، تصمیم گرفته اند استفاده از چاپ سه بعدی را برای ساخت پل بررسی کنند. پل های عابرپیادۀ چاپ سه بعدی که به وجود آمده اند، توانایی این فناوری را در تولید سازه هایی با هندسه های پیچیده با استفاده از طیف وسیعی از مواد نشان می دهند.

پل های چاپ سه بعدی

شرکت پیمانکار هلندی بام اینفراو دانشگاه فناوری آیندهوون هلند، برای ساخت آنچه ادعا می کردند اولین پل بتنی تقویت شده و پیش تنیده چاپ سه بعدی جهان در سال ۲۰۱۷ است، با یکدیگر هم کاری کردند. این پل عابرپیاده به طول 8 متر از بلوک های بتنی چاپ سه بعدی ساخته شده و بخشی از جاده کمربندی اطراف شهر گمرتدر هلند را تشکیل می دهد.

این شرکت پیمانکاری از آن زمان، این فناوری را در پروژه‌های دیگری از جمله پل عابرپیاده بتنی 29.5 متری چاپ سه بعدی در نایمگن و همچنین سه پل عابر پیاده در استان هلند شمالی به کار گرفته است.

در سال 2021 و در نمایشگاه دوسالانه معماری ونیز در ایتالیا، نوع متفاوتی از یک پل عابر پیادۀ بتنیِ سه بعدی چاپ شده رونمایی شد. پل عابرپیاده " استریاتوس" بنایی طاقدار با دهانه 16 متری با پنج نقطه دسترسی و متشکل از بلوک های بتنی توخالی چاپ شده سه بعدی بود.

این پروژه توسط گروه پژوهشی بلوک در دانشگاه فنی فدرال زوریخ و گروه محاسبات و طراحیِ شرکت معماری زاها حدید با همکاری متخصصان *ساخت افزایشی شرکت incremental3D و شرکت سازنده مصالح ساختمانی هولکیم انجام شد.

(*ساخت افزایشی : در پرینت سه‌بعدی به روشی گفته می شود که یک مدل کامپیوتری سه‌بعدی به عنوان ورودی به پرینتر سه‌بعدی داده‌ می‌شود و آن دستگاه با قرار دادن انتخابی و لایه‌به‌لایه‌ی مواد، یک قطعه‌ی فیزیکی را به عنوان خروجی ارائه می‌دهد.)

ادلیو برمجو، رئیس بخش تحقیق و توسعه جهانی، نوآوری و مالکیت معنویِ شرکت سازنده مصالح ساختمانیهولکیم می گوید که این پل نیازی به تقویت وجود ندارد زیرا از اصل قوس های رومی پیروی می کند و 53 بلوک به گونه ای در بالای قالب مونتاژ شدند که پس از برداشتن قالب در جای خود باقی ماندند.

پس از نمایشگاه دوسالانه، این همکاری با هدف ایجاد نسخه ای پایدارتر از پل ادامه یافت. پل "فونیکس" ، که از پایان سال گذشته در مرکز نوآوریِ شرکت سازنده مصالح ساختمانی هولکیم در لیون، فرانسه ایستاده است، با استفاده از جوهر بتن سفارشیِ شرکت هولکیم که تا حدی از مواد بازیافتی و شن و ماسۀ حاصل از تخریب پل "استریاتوس" و چسب کاملاً بازیافتی تشکیل شده است، ساخته شد.

بزرگترین مزیت چاپ سه بعدی این است که می توانید هندسه هایی را چاپ کنید که نمی توانید آنها را به راحتی با استفاده از روش های سنتی تولید کنید.

به غیر از بتن، مواد دیگری نیز به عنوان جوهر برای چاپ سه بعدی پل ها استفاده شده است.

در سال 2021، یک پل فولادی چاپ سه بعدی به طول 12 متر روی کانالی در آمستردام برای عموم بازگشایی شد. 

این پل توسط استارتاپ هلندی MX۳D و با هم کاری طراحانی به نام های شرکت Joris Laarman Lab و شرکت Arup به عنوان مهندسان ارشد سازه و جمعی دیگر از همکاران ساخته شده است.

این پل پس از پایان مدت مجوز دو سالۀ اعطا شده توسط شهرداری، حذف شده است.

لروی گاردنر، پروفسور بخش مهندسی عمران و محیط زیست امپریال کالج لندن، می گوید: «در تمام مدتی که این پل در موقعیت قرار داشت تحت نظر بود و هیچ نشانه ای از تخریب نشان نداد.»

این دانشگاه درگیر آزمایش و نظارت بر ساختار است و به تحقیق بر روی پل های فولادی چاپ سه بعدی ادامه می دهد.

گاردنر می گوید که پل عابر پیاده ای با دهانه 4 متری در آزمایشگاهِ دانشگاه، با هندسه بهینه ساخته شده است.

او می‌گوید: «از نظر فیزیکی نمی‌توانید موادی کمتر از این را در پل به کار ببرید. این پل در ماه می امسال، آزمایش تحمل بار 4 تنی را پشت سر گذاشته است.»

ما قطعاً به دنبال این فناوری هستیم. اگرچه این نمونه خوب را در آمستردام داریم ولی هنوز در مراحل ابتدایی هستیم. درجات بیشتری از فولاد و هندسه های بیشتری [برای اکتشاف] وجود دارد، و چیزهای بیشتری برای شناخت قابلیت اطمینان به این فناوری وجود دارد."

شرکت Royal HaskoningDHV  از سال 2018 بر روی پل‌های پلاستیکی تقویت‌شده با فایبرگلاسِ تولید شده توسط چاپ سه بعدی تمرکز کرده است. کیس ون ایسلمویدن، مدیر مهندسی دیجیتال و مشاور ارشد ساخت این پل، می‌گوید: « آب و هوا، دلیل این بود که ما به سمت چاپ پل‌های پلاستیکی تقویت‌شده با فایبرگلاس رفتیم. ما باید سازه‌هایی سبک‌تر، پایه‌هایی سبک‌تر، مواد بازیافتی به عنوان پایه، و مواد قابل جداسازی و استفاده مجدد داشته باشیم.»

او می گوید که این شرکت چندین مدل را در طول سال ها تولید و آزمایش کرده است. در ماه آوریل، این شرکت یک پل عابر پیاده با چاپ سه بعدی به طول 8 متر با ظرفیت بار 10 کیلونیوتن بر متر مربع را در شهر گمنت پوتندر هلند مونتاژ کرده است. نرده های این پل نیز چاپ سه بعدی شده است.

ون  ایسلمویدن می گوید که این شرکت در حال حاضر به دنبال ستون های چاپ سه بعدی است.

مزایا

گاردنر می‌گوید: « بزرگترین مزیت چاپ سه بعدی این است که می توانید هندسه هایی را چاپ کنید که نمی توانید آنها را به راحتی با استفاده از روش های سنتی تولید کنید »

"مزیت بالقوه آن این است که می توانید ساختارهایی را چاپ کنید که بهینه تر هستند، بنابراین در دنیایی که استفاده از مواد کمتر به دلایل پایداری اهمیت بیشتری کرده است، از مواد کمتری استفاده می کنید."

جو بونت موافق است که چاپ سه بعدی می تواند از طریق بهینه سازی توپولوژی، به به حداقل رساندن استفاده از مواد منجر شود و بر کاهش ضایعات ناشی از این روش ساخت در مقایسه با روش های ساخت و ساز سنتی تأکید دارد.

کاهش استفاده از مواد منجر به صرفه جویی در انتشار کربن می شود، اما طبق گفته  برمجو، دایره ای بودن ساختارهای چاپ سه بعدی نیز به کاهش انتشار کربن کمک می کند. او می گوید که 40 درصد از جوهر بتن سفارشی مورد استفاده برای تولید 104 بلوکِ به کار رفته در پل فونیکس "قابل بازیافت" بوده است.

مواد بازیافتی در کنار منابع مصالح محلی و بهینه‌سازی طراحی مورد استفاده برای پل فونیکس، منجر به کاهش ۲۵ درصدی ردپای کربن این پل در مقایسه با پل استریاتوس شده است.

گاردنر می گوید راه دیگری که چاپ سه بعدی می تواند به اقتصاد دایره ای کمک کند، امکان استفاده مجدد از عناصر موجود است.

او مثالی از یک تیر استفاده شده می‌زند که با الزامات یک پروژه به طور دقیق مطابقت ندارد، برای مثال تیر استفاده شده به دلیل اینکه 10٪ ظرفیت حمل بار بیشتری مورد نیاز است، با پروژه جدید مطابقت ندارد. گاردنر توضیح می دهد که این عنصر را می توان با استفاده از چاپ سه بعدی و افزودن مواد تقویت کرد.

او می‌گوید: «من فکر می‌کنم اگر چاپ سه بعدی در مقیاس خوبی تنظیم شود، که اینکار به زمان و تدارکات نیاز دارد، می‌تواند استفاده مجددِ گسترده‌تر از مواد را تسهیل کند و از نظر زیست‌محیطی استفاده مجدد بسیار بهتر از بازیافت است.»

گاردنر می گوید صنعت ساخت وساز تا به امروز از اتوماسیون کم تر استفاده کرده و چاپ سه بعدی می تواند به حرکت این صنعت به سمت اتوماسیون بیشتر کمک کند. 

برمجو اضافه می کند که با کمبود فعلی نیروی کار ماهر، مثل سنگ تراشان، استفاده از این فناوری به این معنی است که برای ساخت پل به نیروی کار کمتری نیاز خواهد بود.

پذیرش کم

همه اینها یک سوال را ایجاد می کند. با وجود همه این مزایا که شناسایی و آزمایش شده است، چرا چاپ سه بعدی هنوز به یک روش اصلی ساخت پل تبدیل نشده است؟

بونت می‌گوید: «این یک برنامه کاربردی تحقیقاتی است.»

«تقریباً تمام نمونه‌هایی که من با آن‌ها برخورد کرده‌ام، مشارکت دانشگاهی داشته اند، زیرا دستورالعمل‌های مدون منتشر شده ای برای طراحی وجود ندارد. و ما هنوز در مورد نحوه رفتار مواد پس از چاپ در سر جای خود در حال یادگیری هستیم.»

او معتقد است که عدم قطعیت در مورد عملکرد سازه و عدم وجود دستورالعمل‌های طراحی، بر پذیرش گسترده‌تر این فناوری تأثیر می‌گذارد.

بونت می افزاید: «عنصر ایمنی و محافظه کاری نسبیِ صنعت ما نیز از دیگر عوامل این پذیرش کم هستند.»

گاردنر در مقاله‌اش که در سال 2023  با نام «ساخت افزودنی‌های فلزی در مهندسی سازه - بررسی، پیشرفت‌ها، فرصت‌ها و چشم‌انداز» در مجله Structures منتشر شده،نوشته که هنوز سؤالات بی‌پاسخی در رابطه با خواص مکانیکی بنیادی، ثبات عملکرد ساختاری کوتاه مدت و بلند مدت، دقت هندسی و تنوع، سرعت و هزینه ساخت، تضمین کیفیت، طراحی، و صدور گواهینامه ها وجود دارد. 

ابعاد سازه های یک پل به این معنی است که تکنولوژی چاپ خود یک عامل محدود کننده در به کارگیری این روش در ساخت پل بوده است.

ون  ایسلمویدن می‌گوید شرکتRoyal HaskoningDHV  در ابتدا از فناوری چاپ سه بعدی مشابه صنعت خودرو استفاده می‌کرد، اما تنها قادر به تولید قطعات کوچک بود.

این فناوری از آن زمان به طور قابل توجهی تکامل یافته است.

ما اکنون چاپگری داریم که 12 متر طول، 4 متر عرض و 2.5 متر ارتفاع دارد. بنابراین اکنون ما در مورد عرشه های پلی صحبت می کنیم که می تواند 12 متر طول داشته باشد.

ون  ایسلمویدن همچنین هزینه را به عنوان دلیلی برای کمبود پل های چاپ سه بعدی ذکر می کند. او می گوید که به دلیل آزمایشات مورد نیاز و هزینه مواد، هزینه این روش بالا است.

حال که چاپ سه بعدی روشی با هزینه بالاتر است، یافتن مشتریانی که مایل به سرمایه گذاری روی این فناوری هستند مهم است. برمجو می‌گوید : اگر بخواهید پذیرش این فناوری افزایش پیدا کند، به مشتریانی نیاز دارید که نوآور باشند و کمی ریسک کنند.

گاردنر تأکید می‌کند: «مشتریان بزرگ‌تر، این موقعیت را دارند و باید وظیفه پذیرش اولیه را قبول کنند.»

استفاده از این فناوری در آینده

ون  ایسلمویدن می گوید: «من فکر نمی‌کنم که ما حداقل تا 10 یا 20 سال آینده، یک پل چاپ سه بعدی با دهانه 40 متری داشته باشیم. فکر می‌کنم اولین کاربردهای این فناوری در پل‌های عابر پیاده یا برای تقویت پل‌های فعلی جهت افزایش طول عمر آن‌ها خواهد بود.»

به گفته گاردنر، چاپ سه بعدی به جای اینکه جایگزین روش‌های ساخت و ساز موجود شود، آنها را تکمیل خواهد کرد.

من فکر می‌کنم نقش آیندۀ چاپ سه بعدی در ساخت پل بیشتر در مورد جاهایی است که می‌توانیم روش‌های مختلف تولید را با هم ترکیب کنیم تا از همه امکانات دنیا بهترین بهره را ببریم.

"مشتریان بزرگتر این موقعیت و وظیفه را دارند که پذیرندگان اولیه این فناوری باشند"

"اگر قطعات دقیق تری لازم دارید، بیایید از چاپ سه بعدی برای ایجاد هندسه های پیچیده استفاده کنیم."

بونت می گوید که در ابتدا می توان از چاپ سه بعدی در مقیاس کوچکتر برای ساخت اجزای خاص پل استفاده کرد. او به پلکان بتنی چاپ سه بعدی که توسط شرکت بام اینفرا برای پل جدید Sighthill بر روی M8 در گلاسکو نصب شده است اشاره می کند.

او معتقد است که با شروع ساخت اجزای کوچک به این روش، اعتماد صنعت جلب خواهد شد و سپس می پذیرد که آن را برای اجزا یا ساختارهای بزرگتر بررسی کند.

بونت می گوید :«من فکر می کنم ما باید ببینیم که بزرگترین دستاوردهای حاصل از این فناوری، در کجا به دست می آید و از همانجا شروع کنیم. شاید برای مشتریان و طراحان مفید باشد که دور هم جمع شوند تا بفهمند بزرگترین محرک های پذیرش این روش در صنعت ساخت و ساز کجاست تا سپس به موانع موجود در آن برنامه خاص رسیدگی کنند.»

«این دور هم جمع کردن تامین کنندگان بالقوه برای به اشتراک گذاشتن دانش میان آنها مفید خواهد بود، زیرا در حال حاضر فکر نمی کنم انجمن خاصی برای انجام این کار وجود داشته باشد. این موضوع امکان انتقال دانش به دست آمده در سایر صنایع به صنعت ساخت و ساز را بهتر امکان پذیر می کند.»

افراد دارای مهارت در این زمینه

در صورتی که در این زمینه تخصص یا مهارتی دارید، پس از ثبت نام در سایت و تکمیل فرم مشخصات شخصی ، پروفایل خود را به لیست زیر اضافه نمایید .