House Zero באוסטין, טקסס, הוא בית בשטח של 2,000 רגל מרובע שנבנה בבטון מודפס בתלת מימד. אגם פלאטו אדריכלים

באדריכלות, חומרים חדשים כמעט ולא צצים.

במשך מאות שנים, עץ, בנייה ובטון היוו את הבסיס לרוב המבנים על פני כדור הארץ.

בשנות ה-1880, אימוץ מסגרת הפלדה שינתה את הארכיטקטורה לנצח. הפלדה אפשרה לאדריכלים לתכנן בניינים גבוהים יותר עם חלונות גדולים יותר, והולידו את גורדי השחקים המגדירים את קווי הרקיע של העיר כיום.

מאז המהפכה התעשייתית, חומרי הבנייה הוגבלו במידה רבה למגוון של אלמנטים בייצור המוני. מקורות פלדה ועד לוחות דיקט, ערכת חלקים סטנדרטית זו מעניקה את התכנון והבנייה של מבנים כבר למעלה מ-150 שנה.

זה עשוי להשתנות בקרוב עם התקדמות במה שנקרא "ייצור תוספים בקנה מידה גדול." לא מאז האימוץ של מסגרת הפלדה לא היה התפתחות עם פוטנציאל רב כל כך לשנות את האופן שבו בניינים מתגבשים ונבנים.

ייצור תוסף בקנה מידה גדול, כמו הדפסת תלת מימד שולחנית, כולל בניית אובייקטים שכבה אחת בכל פעם. בין אם זה חימר, בטון או פלסטיק, חומר ההדפסה מופק במצב נוזלי ומתקשה לצורתו הסופית.

בתור מנהל של המכון למבנים חכמים באוניברסיטת טנסי, התמזל מזלי לעבוד על סדרה של פרויקטים שפורסים את הטכנולוגיה החדשה הזו.

בעוד כמה מחסומי דרכים לאימוץ הנרחב של הטכנולוגיה הזו עדיין קיימים, אני יכול לחזות עתיד שבו מבנים בנויים לחלוטין מחומרים ממוחזרים או חומרים שמקורם באתר, עם צורות בהשראת הגיאומטריות של הטבע.

אבות טיפוס מבטיחים

בין אלה הוא ביתן טריליום, מבנה באוויר הפתוח מודפס ממוחזר פולימר ABS, פלסטיק נפוץ בשימוש במגוון רחב של מוצרי צריכה.

המשטחים הדקים, המעוקלים הכפולים של המבנה נוצרו בהשראת עלי הכותרת של הפרח בעל שמו. הפרויקט תוכנן על ידי סטודנטים, הודפס על ידי Loci Robotics ונבנה בפארק המחקר של אוניברסיטת טנסי בחוות צ'רוקי בנוקסוויל.

דוגמאות אחרונות אחרות של ייצור תוספים בקנה מידה גדול כוללים את Tecla, בית אב טיפוס בגודל 450 רגל מרובע (41.8 מ"ר) שתוכנן על ידי מריו קוצ'ינלה אדריכלים והודפס במסה לומברדה, עיירה קטנה באיטליה.

טקלה נבנתה מחימר מקומי. מריו קוצ'ינלה אדריכלים

האדריכלים הדפיסו את טקלה מחימר שמקורו בנהר מקומי. השילוב הייחודי של חומר זול זה וגיאומטריה רדיאלית יצרו צורה חסכונית באנרגיה של דיור חלופי.

עוד בארה"ב, חברת האדריכלות Lake Flato שיתפה פעולה עם חברת טכנולוגיות הבנייה ICON כדי להדפיס קירות חיצוניים מבטון לבית המכונה "בית אפס" באוסטין, טקסס.

הבית בשטח של 2,000 רגל מרובע (185.8 מ"ר) מדגים את המהירות והיעילות של בטון מודפס בתלת מימד, והמבנה מציג ניגוד נעים בין הקירות המעוקלים שלו לבין מסגרת העץ החשופה שלו.

תהליך התכנון

ייצור תוסף בקנה מידה גדול כולל שלושה תחומי ידע: עיצוב דיגיטלי, ייצור דיגיטלי ומדעי החומר.

כדי להתחיל, אדריכלים יוצרים מודלים ממוחשבים של כל הרכיבים שיודפסו. מתכננים אלה יכולים להשתמש בתוכנה כדי לבדוק כיצד הרכיבים יגיבו לכוחות מבניים ולכוונן את הרכיבים בהתאם. כלים אלו יכולים גם לעזור למעצב להבין כיצד להפחית את משקל הרכיבים ולהפוך תהליכי עיצוב מסוימים לאוטומטיים, כגון החלקת צמתים גיאומטריים מורכבים, לפני ההדפסה.

חתיכת תוכנה ידוע בתור סלייסר לאחר מכן מתרגם את דגם המחשב לסט של הוראות למדפסת התלת מימד.

אפשר להניח שמדפסות תלת מימד עובדות בקנה מידה קטן יחסית - חשבו נרתיקי סלולר ו מחזיקי מברשת שיניים.

אבל ההתקדמות בטכנולוגיית הדפסת תלת מימד אפשרה את החומרה להגדיל בצורה רצינית. לפעמים ההדפסה מתבצעת באמצעות מה שנקרא מערכת מבוססת גבלים – מסגרת מלבנית של מסילות הזזה בדומה למדפסת תלת מימד שולחנית. יותר ויותר, זרועות רובוטיות משמשים בשל יכולתם להדפיס בכל כיוון.

זרועות רובוטיות מאפשרות גמישות רבה יותר בתהליך הבנייה.

גם אתר ההדפסה יכול להשתנות. ניתן להדפיס ריהוט ורכיבים קטנים יותר במפעלים, בעוד שבתים שלמים חייבים להיות מודפסים במקום.

ניתן להשתמש במגוון חומרים לייצור תוספים בקנה מידה גדול. בטון הוא בחירה פופולרית בשל המוכרות והעמידות שלו. חימר הוא אלטרנטיבה מסקרנת מכיוון שניתן לקצור אותו באתר - וזה מה שעשו המעצבים של Tecla.

אבל לפלסטיק ופולימרים יכול להיות היישום הרחב ביותר. חומרים אלה הם מגוונים להפליא, וניתן לגבש אותם בדרכים העונות על מגוון רחב של דרישות מבניות ואסתטיות ספציפיות. ניתן לייצר אותם גם מחומרים ממוחזרים ומקורים אורגניים.

השראה מהטבע

מכיוון שייצור תוסף בונה שכבה אחר שכבה, תוך שימוש רק בחומר ובאנרגיה הדרושים לייצור רכיב מסוים, זהו תהליך בנייה הרבה יותר יעיל מאשר "שיטות חיסור," הכוללים חיתוך חומר עודף - חשבו על כרסום קורת עץ מתוך עץ.

אפילו חומרים נפוצים כמו בטון ופלסטיק נהנים מהדפסת תלת מימד, מכיוון שאין צורך בטפסות או תבניות נוספות.

רוב חומרי הבנייה כיום מיוצרים בייצור המוני על פסי ייצור שנועדו לייצר את אותם רכיבים. תוך הפחתת עלויות, תהליך זה משאיר מעט מקום להתאמה אישית.

מכיוון שאין צורך בכלי עבודה, טפסים או מתלים, ייצור תוספים בקנה מידה גדול מאפשר לכל חלק להיות ייחודי, ללא עונש זמן על תוספת מורכבות או התאמה אישית.

מאפיין מעניין נוסף של ייצור תוספים בקנה מידה גדול הוא היכולת לייצר רכיבים מורכבים עם חללים פנימיים. זה עשוי לאפשר יום אחד להדפיס קירות עם צינורות או צינורות שכבר נמצאים במקום.

בנוסף, מחקר מתקיים לחקור את האפשרויות של הדפסת תלת מימד מרובת חומרים, טכניקה שיכולה לאפשר לחלונות, בידוד, חיזוק מבני - אפילו חיווט - להשתלב במלואו ברכיב מודפס יחיד.

אחד ההיבטים של ייצור תוסף שהכי מרגש אותי הוא האופן שבו בנייה שכבה אחר שכבה, עם חומר מתקשה לאט, משקפת תהליכים טבעיים, כמו היווצרות מעטפת.

בית מודפס בתלת מימד בשנחאי שנבנה בפחות מ-3 שעות מפסולת בניין. Visual China Group/Getty Images

זה פותח חלונות הזדמנויות, ומאפשר למעצבים ליישם גיאומטריות שקשה לייצר בשיטות בנייה אחרות, אך נפוצות בטבען.

מסגרות מבניות בהשראת המבנה העדין של עצמות הציפור יכול ליצור סריג קל משקל של צינורות, עם גדלים משתנים המשקפים את הכוחות הפועלים עליהם. חזיתות את זה לעורר את הצורות של עלי הצמח עשוי להיות מתוכנן להצל את הבניין בו זמנית ולהפיק אנרגיה סולארית.

התגברות על עקומת הלמידה

למרות ההיבטים החיוביים הרבים של ייצור תוספים בקנה מידה גדול, ישנם מספר מכשולים לאימוץ הרחב יותר.

אולי הכי גדול שאפשר להתגבר עליו הוא החידוש שלו. ישנה תשתית שלמה הבנויה סביב צורות בנייה מסורתיות כמו פלדה, בטון ועץ, הכוללות שרשראות אספקה ​​וקודי בנייה. בנוסף, העלות של חומרת ייצור דיגיטלית גבוהה יחסית, וכישורי העיצוב הספציפיים הדרושים לעבודה עם החומרים החדשים הללו עדיין לא נלמדות באופן נרחב.

כדי שהדפסת תלת מימד בארכיטקטורה תהפוך לאימוץ נרחב יותר, היא תצטרך למצוא את הנישה שלה. דומה לאיך עיבוד תמלילים סייע לפופולריות של מחשבים שולחניים, אני חושב שזה יהיה יישום ספציפי של ייצור תוספים בקנה מידה גדול שיוביל לשימוש נפוץ בו.

אולי זו תהיה היכולת שלה להדפיס מסגרות מבניות יעילות במיוחד. אני גם כבר רואה את ההבטחה שלה ליצירת חזיתות פיסוליות ייחודיות שניתן למחזר ולהדפיס מחדש בתום חייהן השימושיים.

כך או כך, נראה כי שילוב כלשהו של גורמים יבטיח כי מבנים עתידיים, בחלקם מסוימים, יודפסו בתלת-ממד.

על המחבר

ג'יימס רוז, מנהל המכון למבנים חכמים, אוניברסיטת טנסי

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.