सिविल इंजीनियरिंग निर्माण विधियों पर 3 डी प्रिंटिंग का प्रभाव

निर्माण में 3 डी प्रिंटिंग का विकास

सिविल इंजीनियरिंग में additive विनिर्माण की यात्रा 1980 के दशक में प्रारंभिक प्रयोग के साथ शुरू होती है, जब स्टीरियोलिथोग्राफी ने पहले परत-दर-परत निर्माण का प्रदर्शन किया। निर्माण क्षेत्र ने शुरू में तेजी से प्रोटोटाइपिंग, स्केल मॉडल और फॉर्मवर्क मॉक-अप का उत्पादन करने के लिए 3 डी प्रिंटिंग को अपनाया। 2000 के दशक के मध्य तक, बड़े पैमाने पर एक्सट्रूज़न सिस्टम में प्रगति ने पूर्ण पैमाने पर निर्माण घटकों की छपाई को सक्षम बनाया। आज, प्रौद्योगिकी ने पूरी दीवार प्रणालियों, पुल खंडों और यहां तक कि आदतन रहने वाले आवासों को वितरित करने में परिपक्व किया है, जिसमें प्रिंट गति 10 मीटर प्रति मिनट से अधिक है और 5 मिलीमीटर के रूप में परत संकल्प।

निर्माण में कोर टेक्नोलॉजीज ड्राइविंग एडिटिव विनिर्माण

बाहर निकालना आधारित मुद्रण

कंक्रीट 3D प्रिंटिंग के लिए सबसे आम तरीका एक नोजल के माध्यम से एक रोबोटिक गैन्ट्री या रोबोटिक आर्म एक्सट्रूडिंग सीमेंटी सामग्री का उपयोग करता है। सामग्री को नियंत्रित परतों में जमा किया जाता है जो ठंड के जोड़ों के बिना फ्यूज होता है। ICON] जैसी कंपनियां इस तकनीक का उपयोग करके 24 घंटे में मुद्रित घरों का प्रदर्शन करती हैं।

पाउडर बिस्तर फ्यूजन और बाइंडर जेटिंग

पाउडर आधारित सिस्टम एक तरल बांधने की मशीन को पाउडर (रेत, सिरेमिक, या geopolymer) की पतली परत पर लागू करते हैं, जो जटिल geometries बनाने के लिए चुनिंदा रूप से फ्यूसिंग कणों को फ्यूस करते हैं। ये विधियां उच्च-रिज़ॉल्यूशन घटकों का उत्पादन करती हैं लेकिन संरचनात्मक ताकत हासिल करने के लिए पोस्ट-प्रोसेसिंग थर्मल ट्रीटमेंट की आवश्यकता होती है।

रोबोट आर्म डिपॉज़िशन

औद्योगिक रोबोट हथियार (जैसे, KUKA, ABB) विशेष extruders के साथ सुसज्जित समर्थन सामग्री के बिना गैर-प्लानर आकार, ओवरहैंग और घुमावदार संरचनाओं को मुद्रित करने के लिए छह अक्ष की स्वतंत्रता प्रदान करते हैं। यह लचीलापन वास्तुशिल्प facades और कस्टम पुल तत्वों के लिए मूल्यवान है।

मुख्य लाभ उद्योग डेटा द्वारा समर्थित

सिविल इंजीनियरिंग में 3 डी प्रिंटिंग के फायदे केवल सैद्धांतिक नहीं हैं; वे परियोजना परिणामों द्वारा समर्थित हैं।

• ]सामग्री अपशिष्ट कमी: पारंपरिक निर्माण कट ऑफ और ओवर-ऑर्डरिंग के कारण 10-15% अपशिष्ट उत्पन्न करता है। योजक विनिर्माण केवल आवश्यक सामग्री का उपयोग करता है, अधिकांश मुद्रित परियोजनाओं में 3% से कम अपशिष्ट को काटता है। स्टटगार्ट विश्वविद्यालय द्वारा एक अध्ययन ने पारंपरिक प्रबलित कंक्रीट के बराबर की तुलना में 3 डी-प्रिंटेड कॉलम के लिए सामग्री उपयोग में 60% कमी दिखाई।
• Construction Speed: एक ठेठ एकल मंजिला घर पारंपरिक तरीकों के साथ चार से छह सप्ताह लगते हैं। 3D मुद्रण संरचनात्मक खोल चरण को दो दिनों के नीचे कम कर सकते हैं। Apis Cor[[]]]] रूस में घर साइट पर 24 घंटे में मुद्रित किया गया था।
• डिजाइन फ्रीडम:] घुमावदार दीवारें, जैविक आकृतियाँ, और टोपोलॉजी-अनुकूलित संरचनाएं जिन्हें महंगे फॉर्मवर्क की आवश्यकता होगी या सीएनसी-मिल्ड मोल्ड्स को अतिरिक्त लागत पर उत्पादित नहीं किया जाता है। इससे इंजीनियर्स को लोड पथ को अनुकूलित करने और सामग्री द्रव्यमान को कम करने में सक्षम बनाती है।
• ]कुल लागत बचत: जबकि प्रिंटर उपकरण पूंजी-गहन, 40-60% की श्रम बचत और 30-50 % की सामग्री बचत अक्सर 1,000 वर्ग मीटर से अधिक परियोजनाओं के लिए प्रारंभिक निवेश को ऑफसेट करती है। डेलोइट द्वारा एक रिपोर्ट ने बड़े पैमाने पर बुनियादी ढांचे के तत्वों के लिए 25-40% की अनुमानित जीवन चक्र लागत में कमी का अनुमान लगाया।

सिविल इंजीनियरिंग स्पेक्ट्रम के पार आवेदन

आवासीय और वाणिज्यिक भवन

संपूर्ण दीवारों, नींव और विभाजन प्रणालियों को साइट पर मुद्रित किया जाता है या पूर्वनिर्मित पैनल के रूप में। ऑस्टिन, टेक्सास में ICON का "हाउस शून्य" है, जिसमें एकीकृत उपयोगिता पीछा के साथ आंतरिक और बाहरी दीवारों को मुद्रित किया जाता है। दृष्टिकोण विशेष रूप से दूरस्थ स्थानों में सस्ती आवास के लिए मजबूर है जहां श्रम और परिवहन लागत अधिक है।

ब्रिज और पैदल यात्री वॉकवे

एम्स्टर्डम में MX3D स्टील पुल, छह अक्ष रोबोट द्वारा मुद्रित और स्टेनलेस स्टील से वेल्डेड, संरचनात्मक धातु के लिए additive विनिर्माण को प्रदर्शित करता है। कंक्रीट पैदल यात्री पुलों को COBOD और यूरोप में Webuild द्वारा 30 मीटर तक की अवधि के साथ मुद्रित किया गया है। MX3D पुल में वास्तविक समय संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी के लिए एम्बेडेड सेंसर शामिल हैं।

बुनियादी ढांचा मरम्मत और कस्टम पार्ट्स

3 डी प्रिंटिंग एक्सल उम्र बढ़ने के बुनियादी ढांचे के लिए गैर मानक मरम्मत घटकों के उत्पादन में। कस्टम जल निकासी gratings, दीवार ब्लॉक बनाए रखने और मैनहोल कवर मांग पर मुद्रित किया जा सकता है, सप्ताह से घंटे तक लीड टाइम को कम किया जा सकता है। जापान में, मुद्रित कंक्रीट सेगमेंट का उपयोग जटिल वक्रता के साथ समुद्री दीवारों को बहाल करने के लिए किया गया है।

वास्तु मॉडल और फॉर्मवर्क

बड़े पैमाने पर रेत प्रिंटर पवन सुरंग परीक्षण और ग्राहक प्रस्तुतियों के लिए विस्तृत वास्तुशिल्प मॉडल का उत्पादन करते हैं। इसके अतिरिक्त, अनुकूलित कंक्रीट तत्वों (जैसे, वफ़ल स्लैब, रिब्ड शेल) के लिए 3 डी-प्रिंटेड फॉर्मवर्क आर्किटेक्ट्स को पारंपरिक कारपेंट्री के बिना जटिल ज्यामिति को लागू करने की अनुमति देता है।

केस स्टडीज़ रियल-वर्ल्ड इम्पैक्ट को दर्शाता है

ICON की Vulcan प्रणाली लैटिन अमेरिका में

ICON ने अपने वल्कन II प्रिंटर का उपयोग करके ग्रामीण मेक्सिको में 50 घरों को मुद्रित करने के लिए आवास गैर-लाभकारी के साथ भागीदारी की। प्रत्येक 500-वर्ग फुट घर को स्थानीय रूप से सोर्स्ड कंक्रीट के साथ 24 घंटे के नीचे मुद्रित किया गया था। पोस्ट-अंक्ति सर्वेक्षणों ने पारंपरिक चिनाई निर्माण की तुलना में आंतरिक तापमान स्थिरता और 35% की लागत बचत को इंगित किया।

यूरोप में COBOD BOD2

COBOD के BOD2 प्रिंटर ने मुद्रित दीवारों और एकीकृत सुदृढीकरण नलिकाओं के साथ कोपेनहेगन, डेनमार्क में तीन-स्टोरी इमारत बनाई। परियोजना ने प्रति सेकंड 100 सेंटीमीटर की प्रिंट गति हासिल की और यूरोपीय बिल्डिंग कोड के तहत संरचनात्मक प्रमाणन बनाए रखा।

MX3D स्टील ब्रिज

एम्स्टर्डम के ओडेज़िड्स अचटरबर्गवाल नहर में 12 मीटर पैदल यात्री पुल को गैस मेटल आर्क वेल्डिंग का उपयोग करके छह अक्ष रोबोट द्वारा मुद्रित किया गया था। परीक्षण ने 40% तक डिजाइन आवश्यकताओं को पूरा करने की भार-असर क्षमता का पता लगाया और पुल का जैविक डिजाइन पारंपरिक स्टील ट्रस के सापेक्ष 60% तक सामग्री को कम कर देता है।

चुनौतियां सामना करना पड़ व्यापक फैलाव

सामग्री कंस्ट्रक्शन

वर्तमान प्रिंट करने योग्य कंक्रीट में अक्सर फाइबर सुदृढीकरण की कमी होती है या उन्हें स्लंप प्रतिरोध और प्रिंटिबिलिटी प्राप्त करने के लिए मालिकाना योजक की आवश्यकता होती है। स्टील सुदृढीकरण एकीकरण मुश्किल रहता है; कुछ दृष्टिकोण पोस्ट-टेंशनिंग बार के लिए प्रिंट voids या मुद्रित फाइबर का उपयोग करते हैं, लेकिन बॉन्ड स्ट्रेंथ टेस्ट परिवर्तनीयता दिखाते हैं। जियोपॉलिमर और मैग्नीशियम आधारित सीमेंट कम कार्बन पदचिह्न प्रदान करते हैं लेकिन इसमें धीमी शक्ति लाभ होता है।

स्केल और परिवहन सीमा

गैन्ट्री प्रिंटर को एक स्थिर पदचिह्न की आवश्यकता होती है जो संरचना से बड़ा हो सकता है, जो कि भीड़भाड़ शहरी स्थलों में अनुप्रयोगों को सीमित करता है। मोबाइल रोबोटिक हथियारों में सीमित पहुंच (आमतौर पर 3-4 मीटर) होती है, जिससे क्रेन-सहायताकृत रिपोरेशनिंग पर बहु-स्टोर प्रिंटिंग निर्भर होती है। ब्रिज प्रिंटिंग को अक्सर नियंत्रित सुविधाओं में पूर्वनिर्मितता की आवश्यकता होती है, जो साइट पर लाभ को कम करती है।

बिल्डिंग कोड और प्रमाणन

अधिकांश बिल्डिंग कोड पारंपरिक निर्माण विधियों के लिए लिखे गए हैं। 3 डी-प्रिंटेड संरचनाओं के लिए स्वीकृति को अक्सर समकक्ष अध्ययन, प्रदर्शन परीक्षण और सहकर्मी समीक्षा की आवश्यकता होती है। अंतर्राष्ट्रीय कोड परिषद (आईसीसी) ने मानकों के विकास (जैसे, AC509) की शुरुआत की है, लेकिन अपनाने के अधिकार क्षेत्र में असमान है। बीमा अंडरराइटर सावधान रहे, और कुछ परियोजनाओं को तीसरे पक्ष के संरचनात्मक निगरानी की आवश्यकता होती है।

ऊर्जा खपत और उपकरण लागत

औद्योगिक प्रिंटर ऑपरेशन के दौरान 20-40 किलोवाट का उपभोग करते हैं। बड़े प्रारूप प्रिंटर की खरीद कीमत $ 300,000 से अधिक है, जिसमें परिवहन, साइट तैयारी और सामग्री हैंडलिंग के लिए अतिरिक्त लागत होती है। छोटी परियोजनाओं के लिए, उपकरण का अपघटन श्रम बचत को ऑफसेट कर सकता है।

स्थिरता और पर्यावरण फुटप्रिंट

3 डी प्रिंटिंग कम सामग्री के उपयोग, फॉर्मवर्क लकड़ी को खत्म करने और भारी घटकों के परिवहन को कम करने के माध्यम से 30-50% तक निर्माण के कार्बन पदचिह्न को कम कर सकती है। प्रौद्योगिकी अपशिष्ट व्युत्पन्न सामग्रियों के उपयोग को भी सक्षम बनाती है: कुचल कंक्रीट जुर्माना, फ्लाई ऐश, और पुनर्नवीनीकरण ग्लास समुच्चय को प्रिंट करने योग्य मोर्टारों में सफलतापूर्वक तैयार किया गया है। ScienceDirect पर शोध यह इंगित करता है कि पुनर्नवीनीकरण पाउडर के साथ 30% सीमेंट को बदलने से CO2 उत्सर्जन को कम करते समय संपीड़न शक्ति बनी रहती है।

हालांकि, मुद्रण की ऊर्जा तीव्रता और तेजी से इलाज सीमेंटी मिश्रणों के एम्बेडेड कार्बन को कारक बनाया जाना चाहिए। लाइफ चक्र आकलन से पता चलता है कि सामग्री बचत 25% से अधिक होने पर नेट लाभ सकारात्मक होता है, एक थ्रेसहोल्ड जो अधिकांश अनुकूलित डिजाइन मिलते हैं। एकीकृत इन्सुलेशन और वेंटिलेशन चैनलों के साथ रूपों को प्रिंट करने की क्षमता ने परिचालन ऊर्जा प्रदर्शन को और बढ़ा दिया है।

भविष्य आउटलुक: Toward स्वायत्त निर्माण

स्मार्ट प्रिंटिंग सामग्री

स्वयं-चिकित्सा कंक्रीट जिसमें एनकैप्सुलेटेड बैक्टीरिया या आकार-मेमोरी पॉलिमर 3 डी प्रिंटिंग के लिए अनुकूलित किया जा रहा है। ये सामग्री थर्मल या लोडिंग चक्र द्वारा शुरू की गई दरारों की स्वायत्त रूप से मरम्मत कर सकती है। मुद्रित दीवारों में एकीकृत चरण-बदली सामग्री निष्क्रिय रूप से इनडोर तापमान का प्रबंधन कर सकती है।

ऑन-साइट प्रिंटिंग बिना मचान

प्रत्येक कहानी के रूप में चढ़ने वाले प्रिंटर कई स्टार्टअप्स द्वारा विकास के तहत हैं। ये सिस्टम बाहरी क्रेन और मचान की आवश्यकता से बचेंगे, जिससे मध्य-उन्नत इमारतों का तेजी से निर्माण हो सके। नांट्स विश्वविद्यालय के एक प्रोटोटाइप ने प्रतिदिन एक मंजिल की दर से एक चढ़ाई गैन्ट्री के साथ एक तीन मंजिला टावर को मुद्रित किया।

BIM और AI के साथ एकीकरण

बिल्डिंग इंफॉर्मेशन मॉडलिंग (BIM) वर्कफ़्लोज़ सीधे वास्तु मॉडल से प्रिंटर टूलपैथ उत्पन्न कर सकते हैं, डेटा अनुवाद त्रुटियों को कम कर सकते हैं। कृत्रिम खुफिया एल्गोरिदम थर्मल ग्रेडिएंट, लेयर कूलिंग टाइम और सपोर्ट स्ट्रक्चर की आवश्यकताओं को कम करने के लिए प्रिंटिंग अनुक्रमों को अनुकूलित करते हैं। Autodesk ने प्लगइन्स विकसित किए हैं जो BIM डेटा को रोबोटिक आर्म कंट्रोलर में सिलाई करते हैं, जिससे सहज डिजिटल-टू-भौतिक निर्माण को सक्षम बनाया जा सकता है।

ऑफ साइट प्रीफैब्रिकेशन और मॉड्यूलराइजेशन

सबसे कुशल निकट-अवधि व्यवसाय मॉडल कारखाने की सेटिंग्स में बड़े मुद्रित पैनलों को पूर्वनिर्मित किया जा सकता है, फिर उन्हें क्रेन और बोल्टिंग के साथ साइट पर इकट्ठा किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण मॉड्यूलर निर्माण की गति के साथ 3 डी प्रिंटिंग की सटीकता को जोड़ती है। शुरुआती गोद लेने वाले अकेले साइट प्रिंटिंग की तुलना में 30% चक्र समय में कमी की रिपोर्ट करते हैं।

निष्कर्ष

3 डी प्रिंटिंग प्रायोगिक प्रमाणों से परे व्यावहारिक सिविल इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में शामिल हो गया है जो भौतिक दक्षता, निर्माण गति और डिजाइन स्वतंत्रता में मापनीय लाभ प्रदान करते हैं। जबकि सामग्री प्रमाणन, स्केल और बिल्डिंग कोड स्वीकृति की चुनौतियों बनी हुई है, रोबोटिक सिस्टम में चल रही प्रगति और कंक्रीट रसायन सबसे महत्वपूर्ण बाधाओं को हल कर रहे हैं। इंजीनियर जो अपने डिजाइन और निर्माण कार्यप्रवाह में additive विनिर्माण को एकीकृत करते हैं, लागत, स्थिरता और ज्यामितीय क्षमता में प्रतिस्पर्धी लाभ प्राप्त करेंगे। अगले दशक में संभावना है कि मुद्रित बुनियादी ढांचे को एक स्वीकृत मानक बन जाएगा - एक नवीनता नहीं - निर्मित वातावरण में।