ساختمان سازی با چاپگر سه بعدی فلزی؛ رویا یا واقعیت؟

در ذهن بسیاری از ما، چاپ سه بعدی بیشتر به عنوان ابزاری برای ساخت ماکت، نمونه اولیه یا حتی قطعات پزشکی شناخته می شود، اما این تکنولوژی در حال عبور از مرزهای سنتی است و حالا پا به دنیای ساخت و ساز گذاشته. تصور کنید روزی برسد که اسکلت فلزی یک ساختمان، نه با جرثقیل و جوشکاری، بلکه با پرینتر عظیم فلزی و بدون دخالت انسانی شکل بگیرد.

برای درک بهتر این تحول، باید ابتدا به ساختار فعلی پروژه های ساختمانی نگاه کرد. جایی که مصالحی مثل فولاد، میلگرد و بتن، نقش اصلی را ایفا می کنند. با توجه به نوسانات همیشگی در قیمت میلگرد و سایر مقاطع فلزی، بسیاری از مهندسان به دنبال راهکارهایی برای کاهش پرت مصالح و افزایش سرعت اجرا هستند. چاپگرهای سه بعدی فلزی، دقیقا در همین نقطه وارد عمل می شوند تا شیوه ساخت و ساز را باز تعریف کنند.

چاپگرسه بعدی فلزی چه کاری انجام می دهد؟

چاپگر سه بعدی فلزی، دستگاهی است که قطعات فلزی را با دقت بالا و به صورت لایه لایه تولید می کند. این دستگاه از پودر فلز به عنوان ماده اولیه استفاده می کند و با روش هایی مانند SLM و DMLS، ذرات فلزی را با لیزر ذوب و به هم متصل می کند. در روش Binder Jetting نیز چسب مخصوص، پودر را شکل می دهد و سپس قطعه در کوره پخته می شود. برخلاف پرینترهای پلیمری که اغلب برای نمونه سازی اند، چاپگر فلزی قابلیت ساخت قطعاتی با مقاومت واقعی دارد. این فناوری امکان طراحی پیچیده، ساخت سریع و کاهش پرت مواد را فراهم می کند.

وقتی چنین دقت و انعطافی در تولید وجود دارد، طبیعی ست که ذهن بسیاری از مهندسان به سمت استفاده از آن در پروژه های عمرانی کشیده شود، جایی که استانداردهای سخت گیرانه و محدودیت زمانی حرف اول را می زنند.

مزایای احتمالی در صنعت ساختمان سازی

ورود چاپگرهای سه بعدی فلزی به صنعت ساخت و ساز، تنها یک نوآوری فناورانه نیست، بلکه پاسخی کارآمد به چالش های دیرینه این حوزه به شمار می رود.

در شرایطی که افزایش سرعت ساخت، کاهش پرت مصالح و سبک سازی سازه ها از دغدغه های اصلی پروژه هاست، فناوری چاپ سه بعدی می تواند روندهای سنتی را متحول کند. این تکنولوژی، از سرعت بخشیدن به اجرا گرفته تا امکان پذیر کردن طراحی هایی که پیش از این فقط روی کاغذ قابل تصور بودند، در حال باز تعریف استانداردهای رایج در ساخت و ساز است. در ادامه، به بررسی مزایای عملی این فناوری می پردازیم:

ساخت سریع با کمترین پرت مصالح

یکی از مزیت های کلیدی چاپگرهای فلزی، حذف فرآیندهای زمان بر قالب سازی و تولید قطعات دقیق با حداقل ضایعات است. در روش های سنتی، پرت مصالح می تواند تا 10 درصد هزینه پروژه را افزایش دهد. این موضوع به ویژه در سازه های فولادی، که قیمت مصالح بالاست، می تواند موجب اختلاف چشمگیر در هزینه ها شود. چاپ سه بعدی با ساخت قطعه دقیق و بدون نیاز به برش های اضافی، این پرت را به حداقل می رساند و بهره وری را بالا می برد.

اجرای طراحی های پیچیده بدون هزینه اضافی

در طراحی های متداول، فرم های غیر متقارن یا هندسی خاص معمولا نیازمند زمان و هزینه زیادی برای اجرا هستند. اما در چاپ سه بعدی فلزی، هیچ محدودیتی برای شکل دهی وجود ندارد. چه ساختار مارپیچی باشد و چه پرجزئیات، این فناوری به صورت لایه به لایه و بدون نیاز به ابزارهای خاص یا نیروی انسانی اضافه، آن را اجرا می کند. در نتیجه، طراحان می توانند خلاقانه ترین ایده ها را بدون نگرانی از هزینه یا پیچیدگی اجرا، عملی کنند.

کاهش وزن سازه با حفظ استحکام

چاپ سه بعدی امکان تولید قطعات توخالی یا مشبک را فراهم کرده، بدون آنکه استحکام سازه کاهش یابد. این سبک سازی باعث می شود بار مرده ساختمان کمتر شود و در نتیجه هزینه های مربوط به فونداسیون و اسکلت نیز کاهش یابد. این مزیت به ویژه در پروژه های بلند مرتبه یا سازه هایی مانند پل ها اهمیت دارد، جایی که کاهش چند صد کیلوگرم می تواند تاثیر قابل توجهی بر طراحی و هزینه نهایی داشته باشد.

با در نظر گرفتن این مزایا، مشخص است که چاپ سه بعدی فلزی صرفا یک فناوری آینده نگر نیست، بلکه پاسخی واقعی به نیازهای روز صنعت ساخت و ساز است. با این حال، پرسش مهمی همچنان باقی است: آیا این فناوری در مقیاس گسترده نیز قابل اجراست؟ سوالی که ذهن بسیاری از مهندسان و سرمایه گذاران را به خود مشغول کرده و نیازمند بررسی دقیق تری است.

چالش های واقعی در مسیر اجرای این تکنولوژی در مقیاس بزرگ

فناوری چاپ سه بعدی فلزی، با تمام جذابیتش، هنوز برای ورود گسترده به صنعت ساختمان سازی با موانع مهمی رو به رو است. تصور اینکه در آینده بتوان یک سازه فولادی را با حداقل دخالت انسانی و بدون پرت مصالح ساخت، بسیار امیدوار کننده است. اما برای رسیدن به چنین نقطه ای باید ابتدا با چالش هایی مواجه شویم که مسیر این تحول را ناهموار کرده اند.

ابعاد دستگاه ها و محدودیت در حمل و نقل

دستگاه های چاپ سه بعدی فلزی اغلب ابعادی بزرگ و وزن بالا دارند. این تجهیزات برای استفاده در کارگاه های ساختمانی، نه تنها باید قابلیت حمل و نقل ساده تری داشته باشند، بلکه باید در شرایط محیطی متفاوت عملکرد پایداری ارائه دهند. در شهری مثل تهران، که محدودیت فضایی و ملاحظات ترافیکی بخش جدایی ناپذیر پروژه های ساخت و ساز است، انتقال و نصب این ماشین آلات به یک مسئله اساسی تبدیل می شود.

محدودیت متریال های قابل چاپ

در حال حاضر بیشتر چاپگرهای فلزی تنها با آلیاژهای خاصی مثل تیتانیوم، آلومینیوم یا فولادهای سبک کار می کنند. اما سازه های عمرانی نیازمند فولادهای ساختمانی استاندارد و مقاوم هستند. دستیابی به تکنولوژی ای که بتواند این نوع فولاد را با همان دقت و ظرافت چاپ کند، هنوز نیازمند توسعه ی بیشتر است. اینجاست که خدمات تأمین دقیق و استاندارد متریال، مانند آنچه فولادسل ارائه می دهد، می تواند به عنوان مکمل یا حتی جایگزین هوشمند فعلی به کار رود.

نداشتن استانداردهای بین المللی برای سازه های پرینت شده

یکی از موانع جدی، نبود چارچوب های قانونی و استانداردهای رسمی برای سازه های چاپ شده با فلز است. بسیاری از کشورها هنوز مقررات مشخصی برای تایید ایمنی یا طراحی این نوع ساختمان ها ندارند. همین موضوع باعث شده سرمایه گذاران، مهندسان و بیمه گران با تردید به این تکنولوژی نگاه کنند.

در کنار تمام این چالش ها، نباید از واقعیتی غافل شد: در شرایط فعلی بازار، پرت مصالح و هزینه ی اضافی ناشی از آن، مخصوصا با توجه به نوسانات قیمت آهن، یکی از گلوگاه های اصلی در پروژه های عمرانی است. پرینترهای فلزی می توانند این هزینه پنهان را حذف یا به شدت کاهش دهند.

با وجود همه موانع، چاپ سه بعدی فلزی پتانسیل تغییر اساسی در ساز و کار ساخت و ساز را دارد. اما هنوز برای تحقق آن در مقیاس بزرگ، باید مسیری پر از اصلاح و توسعه طی شود. شاید بهتر باشد حالا نگاهی بیندازیم به کشورهایی که پیش قدم شده اند و واقعا از این فناوری در ساخت و ساز بهره برده اند، شاید پاسخ بخشی از تردیدها را آنجا بتوان یافت.

آیا از چاپگر فلزی برای ساخت و ساز استفاده شده؟

در این بخش، نمونه های واقعی و مستند از کاربست چاپ سه بعدی فلزی در ساخت و ساز و زیرساخت ها را بررسی می کنیم و نشان می دهیم چطور این فناوری می تواند موانع پرت مصالح و زمان طولانی ساخت را کنار بزند:

پل فولادی پرینت شده در آمستردام

 در جولای 2021، اولین پل پیاده روی فلزی چاپ شده در جهان توسط شرکت MX3D در یکی از کانال های مرکزی آمستردام نصب شد. این پل 12 متری با 6 تن فولاد زنگ نزن و چاپ رباتیک ساخته شد و اکنون به عنوان یک آزمایشگاه زنده مجهز به سنسورهای هوشمند برای سنجش استرس و عملکرد در زمان واقعی فعالیت می کند 

پل آزمایشی در آمستردام با ساختار دیجیتال

 طراحی پارامتریک سازمان دهی شده توسط Arup، ساختار نهایی پل را به شکلی S تبدیل کرده که با پرینت قطعه به قطعه، وزن و مواد ساخت بهینه استفاده می شود .

نمونه های مشابه در دنیا

 در شهرهای دیگر مثل دبی، چین و آمریکا، پروژه های آزمایشی چاپ سه بعدی فلزی و بتن، فلز با هدف ساخت فونداسیون سریع یا ساختارهای ماژولار آغاز شده اند . این روند نوید کاهش پرت مصالح، هزینه و زمان را می دهد.

 چاپ سه بعدی فلزی درحال اثبات توانایی خود در ساخت سازه های واقعی و مقاوم است. به ویژه با توجه به قیمت میلگرد و هزینه بالای پرت در سازه های فولادی، این فناوری می تواند راهگشای اقتصادی و نوآورانه برای آینده ساخت و ساز باشد. همین حالا وقت آن است ببینیم در بخش بعدی این تکنولوژی چقدر به صرفه است.

آیا این تکنولوژی به صرفه تر از روش سنتی است؟

چاپ سه بعدی فلزی می تواند هزینه های ساخت را قابل توجه کاهش دهد. طبق تحقیقات بین المللی، استفاده از چاپگر فلزی در صنعت ساخت و ساز و ساخت قطعات صنعتی معمولا منجر به صرفه جویی حدود 30 تا 45 درصدی در هزینه کل (شامل مواد، نیروی انسانی و ضایعات) نسبت به روش های سنتی می شود .

 پرینت سه بعدی فلزی به مراتب ضایعات مصالح را کاهش می دهد و در زمان اجرا (مثلا ساخت دیوار یا بخش اسکلت) نیروی انسانی کمتری نیاز دارد .

 با وجود قیمت اولیه بالای ماشین آلات (بین 150.000 تا بیش از 1 میلیون دلار) و هزینه های نگهداری و آموزش، اما شرکت هایی مثل Markforged گزارش داده اند که ماشینشان در کمتر از دو سال به درآمد بازده می رسد.

 به علاوه، وقتی با قیمت میلگرد در بازار مقایسه می کنیم، ضایعات کم تر و صرفه جویی در نیروی انسانی می تواند این تکنولوژی را رقابتی کند.

چاپگرهای فلزی در پروژه های کوچک تا متوسط، با کاهش ضایعات، زمان اجرا و هزینه نیروی انسانی، می توانند سریع تر از روش های معمول بازگشت سرمایه داشته باشند و انگیزه قوی ای برای ادامه مسیر ارائه دهند.

آینده نگری: چه زمانی وارد بازار ایران می شود؟

ایران اکنون در مسیر پذیرش چاپ سه بعدی فلزی قرار دارد. شرکت هایی مانند Noura در اصفهان از حدود 2013 وارد این حوزه شده اند و دستگاه های (Selective Laser Melting) را داخل کشور توسعه داده اند اما چند چالش هنوز روند رشد را به تاخیر انداخته اند: تامین پودر فلزی با کیفیت جهانی، نوسان در قیمت آهن آلات و کمبود نیروی متخصص که باید برای چاپ و طراحی سه بعدی فلزی آموزش دیده شوند.

 پروژه هایی در کلان شهرهایی مثل تهران در آینده نزدیک توانایی استفاده از این فناوری را خواهند داشت. کارشناسان در صنعت ساخت و ساز باور دارند که با ثبات اقتصادی نسبی و رشد زیرساخت، چاپ سه بعدی فلزی طی یک دهه آینده در پروژه های ایران قابل اجرا خواهد بود.

چاپ سه بعدی فلزی شاید هنوز در شروع راه باشد، ولی نشانه ها حاکی از ورود آن به دنیای واقعی سازی پروژه ها است. این تکنولوژی با کاهش هزینه، زمان و ضایعات، مسیر روشنی در ساخت و ساز هوشمند برای آینده پیش رو می گذارد. برای پروژه هایی که دنبال پیشرو بودن هستند، حالا وقت آن رسیده که با تامین کننده هایی مانند فولادسل همکاری نزدیک تری شکل دهند، چرا که آینده ی صنعتی به سرعت در حال تغییر است.