לדמיין חומר עתיק לעידן דיגיטלי

במשך אלפי שנים, הלבנים היו אחד חומרי הבנייה היסודיים ביותר של האנושות.מממ ⁇ של מסקופוטמיה למרפסות הוויקטוריאנית של לונדון, אבני חימר מפוטרים עיצבו את הסביבה הבנויה שלנו עם איזון כמעט מושלם של כוח, מסה תרמית וחום אסתטי.אבל, כי כל ההיסטוריה שלה, ייצור לבנים השתנה מעט בליבתו: חימר הוא מטורף, חתך, יבש, וקבוע, מכדי נטיות, הם בעליל, הם בעליל, הם בעלי פרופילים גבוהים יותר, אשר דורשים יותר, וצורות גבוהות יותר, אשר הם בעלי תכונות מודרניות, אשר דורשים יותר, אשר נועדו לייצר יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כדי ליצור יותר, כלומר, כלומר, כדי ליצור יותר, כדי ליצור תבניות גבוהות יותר, 000, כדי ליצור יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 חזק יותר,

ייצור אדקטי כבר מהפכה prototyping in aerospace, רכב, תעשיות רפואיות.בבניה, זה נע מחידוש ליישום מעשי: בתים שלמים הודפסו באתר באמצעות בטון, לוחות prefabricated נכנסים לשימוש מסחרי. Brick, עם זאת, תופסת נישה ייחודית. as a קרמיקה, הוא מציע עמידות חומר מנוסה בזמן כי הדפסה בטון לא יכול לשכפל את הרכיבים המשולבים באופן מלא.

מאמר זה חוקר את המצב הנוכחי ואת מסלול עתידי של מרכיבים לבנים מודפסים תלת-ממדיים, בוחן את הטכנולוגיות, החידושים החומריים, הזדמנויות עיצוב, ואת המכשולים שנותרו לפני תערובת זו של מסורת וטכנולוגיה הופכת למיינסטרים.

התפתחותו של בריק: מ- Hand-Pressed to Robotly Extruded

כדי להבין לאן הולך הלבנים, זה עוזר להעריך היכן התחיל.הלבנים הבוץ הקדום ביותר הופיעו סביב 7000 לפני הספירה בתורכיה של ימינו, לבנים אש ואחריו כ 3500 לפני הספירה, המאפשר מבנים קבועים ברחבי מצרים העתיקה, סין ורומא.האימפריה הרומית שינתה את גודל הלבנים הסטנדרטיים ופיתח כינים מסוגלים לירות עקביות.

ייצור Additive מציע שינוי פרדיגמה.במקום לחתוך prism מתוך עמודה רציפה, הדפסה תלת מימדית הפקדה חומר שכבתי על ידי שכבה, המאפשר לכל לבנה להיות צורה פנימית וחיצונית ייחודית.יכולות אלה הוכחו לראשונה עם קרמיקה על ידי חוקרים בשנות ה-90, באמצעות טכניקות הדפסה מבוססות סלוריות.היום, קיימות מספר גישות נפרדות:

  • (FLT:0) פלוריון חימרוטי: « 1 (FAVEFRELT:1) זרוע רובוטית מצוידת בפקדות נושלות מכבש מתמשך, בניית קירות ודפוסי אטימות.זהו האנלוגי הקרוב ביותר לנטיעת לבנה מסורתית, אך הרובוט יכול לנוע בכל כיוון, יצירת עקומות, מעלים, וקירים משתנים.
  • (ב) ,0)בנדר מחלחל: 1FLT:1 חומר קרמיקה או אדמה מתפשט בשכבה דקת, וכבל נוזלי מוחל באופן סלקטיבי על חלקיקים ממזגים.זה מאפשר מאוד פרטים יפים וערוצים פנימיים מורכבים, אך החלק המתקבל הוא שברירי עד לאחר שריפה.
  • (ה) ,0)להסר על אבקות חימר: אנדרל 1 (IQ) באמצעות לייזר כדי למזג חלקיקים קרמיקה, שיטה זו מניבה חלקים בעלי תכונות מכניות מצוינות, אם כי היא איטית יותר ויותר אנרגיה אינטנסיבית.
  • (ב) ⁇ :0) ,Hybrid גישות: FLT:1, שילוב של חימר מזחלת עם משולש רובוטי או משטחים לסיים כדי להשיג את המהירות והדיוק.

לכל טכנולוגיה יש פערים בין מהירות, רזולוציה, תאימות חומרית, ועלויות. עבור רכיבים אדריכליים - אשר חייב להיות עמיד, עמיד בפני מזג אוויר, ובטיחות אש - extrusion חימר ירוגני התפתח כהבטחה ביותר בשל יכולתו להשתמש בגופים קונבנציונאליים ותהליכי ירי.

חידושים חומריים: Beyondמסורתיים קליי

בעוד חימר רגיל מתאים לפרויקטים לבנים מטופחים תלת מימדיים רבים, החוקרים מפתחים באופן פעיל פסים מיוחדים שמשפרים ביצועים או קיימות.אתגר קריטי אחד הוא rheology: פס ההדפסה חייב להיות נוקשה מספיק כדי להחזיק את צורתו לאחר extrusion אבל נוזל מספיק כדי לזרום דרך nozzle ללא czzle ללא cxotropics, כגון ethos או ננוקל, הם לעתים קרובות מעורבבים עם תכונות אלה.

חידושים חומריים אחרים כוללים:

  • (ב) ⁇ :0) ,4 ,1 , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) כובלים מגופולים: FIRLT:1) חומרים אלה, שמקורם זבוב אפר או slag, אינם דורשים כל עתירי, חיתוך פליטות CO2 עד 80%. Geopolymer "bricks" ניתן לרפא בטמפרטורת החדר, לחסל את הצורך עבור כ- קיללנים.
  • (FLT:0)Fiber-reinforced חימר: קיד 1 (הוספת סיבים קצרים (פחמן, זכוכית או basalt) למשטח החימר משפר את חוזקם של עשרות ומצמצמצמצמים את הסדקים במהלך הייבוש והירי.זה חשוב במיוחד עבור מבנים דלים או מלוטשים.
  • (ב) ויקרא: ויקרא י"א): "ה' (ב') ירא, קש, או מיסליום יכול להיות מעורבב עם חימר כדי ליצור לבנים קלים, מחלחלים לחלוטין בסוף החיים.

חידושים חומריים אלה אינם רק אקדמיים.מספר סטארט-אפים משווקים לבנים מודפסים 3D המיוצרים מקרקעות מקומיות (מקבילה חד-ארצית), צמצום עלויות ההובלה ותמיכה בבנייה מעגלית.היכולת להתאים את התערובת החומרית לזמינות מקומית היא יתרון מרכזי לאזורים מרוחקים או מתפתחים.

אפשרויות עיצוב: מורכבות ללא עונש

אולי ההיבט המרגש ביותר של רכיבי לבנים מודפסים 3D הוא השחרור מן ה- prism מלבני prise מסורתית צורות לבנים מוגבלות על ידי הצורך להחליק דרך מת לעמוד חיתוך חוט.עם ייצור תוספים, הגבולות הגיאומטריים היחידים הם להגיע מכונה והחוקים של אדריכלים יכולים כעת לעצב לבנים עם:

  • (ב) ,0 , רִיק רִיק ל בידוד ושירות פועל: 1FLT במקום לקדוח או חיתוך מאוחר יותר, HVAC ducts, צינורות חשמליים, וצנרת ניתן לשלב ישירות לתוך הגיאומטריה הלבנים.
  • (ב) ⁇ :0 (אורגני) צורות זורמות: פשטות 1 (ב) קירות מסובבים, עמודות מעוותות ומבנים מתחום החיסונים המחקים צורות טבעיות הופכות להסתברותיות.
  • (FLT:0) צפיפות חיצונית: 1FLT:1 ניתן להדפיס את הפנים של לבנה עם דפוס infill מלוח כדי להפחית במשקל ושימוש חומרי, בעוד הקליפה החיצונית נותרה צפופה עמידות והתנגדות מזג האוויר.
  • (FLT:0)Custom interlocking מפרקים: ⁇ 1 במקום מרגמה, לבנים יכולים להיות מחברים זכריים ונקבה, המאפשרים אסיפה יבשה.זה מאיץ בנייה, מפחית פסולת ומאפשר לפשוט ולא-מבחנה וקלה - עקרונות מפתח של עיצוב מעגלי.

דוגמה בולטת אחת היא מושג "דוקטורט" על ידי פוסטר + Partners, שהציעו רכיבי לבנים מודפסים 3D עבור מערכת בנייה מהירה של אחריות באזורי אסון.הלבנים ייצרו מקומית באמצעות חדירה רובוטית, מקובצים ללא מרגמה, וניתן להדפיס מחדש על אתר כפי שנדרש.

פרויקט בית גאיה: The Jersey House Project

בשנת 2022, חוקרים ב-FLT:0 ETH ציריךFLT:1 השלימו את בית גאיה, בית למחצה-אוטומטי המאגד בעיקר מלבנים חימר מודפסים 3D.הקירות הודפסו באתר באמצעות זרוע רובוטית שגירשה תערובת בעלת ערך קנייני, גאיה, שעקבהלבה מבנה פנימי של אטיצ'ה, אשר הפחית את הצריכה החומרית ב-60% בהשוואה לחומה מוצקה, בעוד שעדיין לא הייתה מוגבלת, כאשר היא בעלת מבנה חימר, כמעט מחוסמת, והייתה בעלת מבנה חיצוני, והייתה מוגבלת, עם מבנה חיצוני, כמעט ללא קורת גג.

מקרה זה מוכיח כי לבנים מודפסים 3D אינה פנטזיה מרוחקת אלא מציאות של היום, אם כי עדיין מוגבל לפרויקטים של הדגמה.אימוץ מסחרי ידרוש מהירויות ייצור, סטנדרט חומרים, בניית אמון בין הרגולטורים והבטחון.

תגית: a Deeper Look

בריק מתח ביקורת על צריכת האנרגיה הגבוהה שלו במהלך הירי - ככרן טיפוסי פועל ב-900-1100 מעלות צלזיוס במשך כמה ימים, עם זאת, הדפסה תלת-ממדית יכולה להפחית באופן דרמטי את טביעת הרגל הסביבתית של רכיבי לבנים בכמה דרכים:

  • (FLT:0) יעילות אווירית: FLT:1 כי הדפסת חומרים רק במידת הצורך, פסולת כמעט בוטלה. ייצור לבנים מסורתי יכול לאבד 5-10% של חומר לחיתוך, פריצה, ו offcuts. עם הדפסה תלת מימדית, הפסולת היחידה היא חומר התמיכה (אם בכלל) ודגימות בדיקה.
  • (העברה:0) ,העברה:0) ניתן להביא מדפסת רובוטית 1:1 לאתר הבנייה, המאפשר חימר גולמי להיות מקורו מקומית.זה נמנע מלעבור לבנים כבדים מאות קילומטרים.מחקר על ידי המכון ל-FLT:2Massachusetts Institute of TechnologyFLT:3 העריך כי על גבי 3D הדפסה יכול לקצץ פליטות לבנות עד 30.
  • (FLT:0) ללווים של זמניים: ראטל:1 , כפי שצוין, ג'ובעים וטביעות אוויר של צאן נמנעים מלירות לחלוטין, ניתוק אנרגיה בתהליך.גם כאשר יורה הוא הכרחי, החלקים דקים וגיאומטריה מבוקרת של לבנים מודפסים מאפשרים מהר יותר, יותר חום אחיד, צמצום צריכת הדלק.
  • (FLT:0) של מחזור חיים: אנדרל 1 (Send-of-Life Recyclability: (RalLT:1) ניתן לתכנן לבנים מודפסים עבור disassembly.If a Building is later Destroy, theלבנים ניתן לנקות, לחזור לאבקת חימר, ולהודר מחדש לרכיבים חדשים.זה יוצר מחזור שדרה סגורה כמעט בלתי אפשרית עם קירות לבנים רגילים.

עם זאת, קיימות אינה אוטומטית.הציוד התלת מימדי עצמו יש טביעת רגל אנרגטית וייצור.הרובוטים, הגאדג'טים, ו לייזרים מחטאים דורשים מתכות נדירות ורכיבים אלקטרוניים.הניתוחים במחזור החיים חייבים לקחת בחשבון את הגורמים האלה.התועלת נטו בולטת ביותר כאשר הלבנים המודפסים מחליפים חימר חלול או בלוקים קונקרטיים קונבנציונליים.

אתגרים לאימוץ

למרות הבטחתו, לבנים מודפסים 3D עומדים בפני כמה מכשולים משמעותיים לפני שהוא יכול להתחרות עם מזכר מסורתי בבנייה הזרם המרכזי.

פיקוח על איכות ועל איכות

קליי הוא חומר טבעי עם תכונות משתנה בהתאם למקור שלו.כאשר מודפס, שינויים קטנים בתוכן לחות, גודל חלקיקים או לחות מסובבת יכול לגרום רינג, סדק, או ייבוש ב nozzle. Achieving אותה איכות עקבית כמו לבנה מתוכנתת במפעל דורש שליטה מדויקת על חומרי גלם הדפסה.

בטיחות מבנית ומבנה קודי

עדיין אין קוד בנייה מתייחס ספציפית רכיבי לבנים מודפסים 3D. מהנדסים חייבים להסתמך על בדיקות מקרה-בידי ניתוח כדי להוכיח חדות מבנית.חוסר הסטנדרטים פירושו פרמיות ביטוח גבוהות יותר וזמני אישור ארוכים יותר. ארגונים כמו ASTM International ומועצת הקוד הבינלאומית עובדים קבוצות על בנייה, אך סטנדרטים רשמיים עדיין רחוקים שנים.

גודל ומהירות

מפעל לבנים טיפוסי יכול לייצר מיליוני יחידות בשנה.תא רובוטי ייעודי יכול להדפיס אולי 50-100 לבנים לשעה, בהתאם למורכבות. להתחרות, התעשייה חייבת להאיץ את מהירות ההדפסה (באמצעות מספר רב של ננולים או חדירה רציפה רציפה) או לכוון רכיבים בעלי ערך גבוה שבו מורכבות רקifies איטי יותר באמצעות חישוב.

פוסט-Processing

רוב אובייקטים בעלי ערך תלת-ממדי דורשים ייבוש וירי לאחר הדפסה.הצעד הייבוש הוא קריטי: חימר בלתי-אשים הוא שברירי ויש לטפל בו בזהירות.צעד האש דורש כינים, אשר מחזקים חלק מהעלויות האנרגיה שנמנעו מחוקרים בודקים מיקרוגל חטאים וטכניקות ירי יעילות אנרגיה אחרות, אך אלה עדיין לא מסחריות.

תחזית העתיד

ההתכנסות של עיצוב דיגיטלי, ייצור רובוטי, ובניה בת קיימא מצביעה על עתיד שבו מרכיבים לבנים מודפסים 3D הופכים לאפשרות שגרתית עבור אדריכלים ובנינים.

  • (FLT:0)Parametric עיצוב כלים: FLT:1OVA Software כגון Rhino3D +Grasshopper ו Autodesk Revit עכשיו כוללים תוספים לייצור ג'ממטות לבנים קריאות. כמו כלים אלה בוגר, מעצבים ללא ידע מעמיק של ייצור תוספת יכול ליצור בקלות דפוסים לבנים מודפסים.
  • (ב) ,0) יחידות הדפסה של מכשירים ניידים: FLT:1 חברות מספריות, כולל FLT:2Apis CorFLT 3 ו COBOD, מציעים זרועות רובוטיות ניידות שניתן להעביר לאתר בנייה ולהקים במהירות.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם BIM (בניית מודל של מידע): 1FLT:1 רכיבי לבנים מודפס 3D ניתן מודל עם תכונות חומר מלאות והתנהגות מבנית, המאפשר בדיקות וירטואליות לפני הייצור הפיזי.זה מפחית את הסיכון של כשלים באתר ותיקון אישורי הזרמים.
  • (FLT:0) בנייה מהונדסת: FLT:1, התרחיש הריאליסטי ביותר לטווח קצר אינו כל המבנים, אלא תערובת: יסודות קונבנציונליים ו ליבות נושאות עומס עם חזיתות לבנים מודפסות, מחיצות, וחיפוי.זה מקטין את היתרונות של הדפסה שבה הם חשובים ביותר - עיצוב גמישות וקיימות - מבלי צורך בשינויים סיטונאיים לשיטות בנייה.

ככל שהתקדמות המחקר, סביר להניח שתראה לבנים מודפסות תלת מימדי בשימוש ראשון ביישומים שאינם מבנים כגון מסכים דקורטיביים, קירות ירוקים ומכשירים מתפתלים. במהלך העשור הבא, כמו מדע חומרי ומהירות הדפסה משתפרים, לבנים מבניים עשויים לעקוב. עד 2040, בניין שנבנה עם לבנים מודפסים, מקור מקומי הדורשים לא מרגמה והם ניתנים למחזור מלא יכול להיות הנורמה ולא יוצא דופן.

עתיד הלבנים אינו על מחיקת המסורת – אלא על הגדלתו בדיוק דיגיטלי.בלוק החימר המפוטר שנבנה על העבר שלנו הוא כעת מחדש לבנות עתיד יציב יותר, יעיל ויפה יותר.