ثورة في التشييد والبناء.. طباعة الخرسانة ثلاثية الأبعاد تقلل الانبعاثات

تُعد الخرسانة أكثر مواد البناء استخدامًا في العالم، كما أن إنتاجها يمثل أحد أكبر مصادر الانبعاثات الكربونية، ومن بين الحلول الواعدة لتقليل بصمتها البيئية، تبرز تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، التي تتيح وضع الخرسانة طبقة تلو الأخرى بدقة، دون الحاجة إلى قوالب تقليدية.

لكن رغم كفاءة التصاميم التي تنتجها الحواسيب باستخدام تقنيات متقدمة مثل تحسين الشكل البنيوي، فإن كثيرًا منها يصعب تنفيذه عمليًا بسبب قيود الطابعات الحالية، مثل سماكة الفوهة، وحدود الحركة، وضرورة الطباعة بشكل متواصل.

تقنية تربط التصميم بالتنفيذ

طوّر فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إطارًا جديدًا يدمج قيود الطباعة الفعلية ضمن عملية التصميم نفسها، ما يتيح إنتاج نماذج قابلة للتنفيذ مباشرة دون الحاجة إلى تعديلات لاحقة معقدة.

واختبر الفريق هذه التقنية من خلال تصميم وطباعة جسر خرساني بطول 2.3 متر، ثم إخضاعه لاختبارات تحميل، أظهرت أن القيود التقنية للطباعة- وليس قوة الخرسانة- هي العامل الرئيسي الذي يحدد كفاءة التصميم.

تصميم يعتمد على الواقع

بالتعاون مع مختصين في تشغيل الطابعات، حدد الباحثون ثلاثة قيود رئيسية: سماكة طبقات الخرسانة، وزاوية دوران الفوهة، وضرورة الطباعة بخط متصل، وتم إدخال هذه القيود في النموذج الحسابي للتصميم.

وعلى عكس الطرق التقليدية التي تتطلب وقتًا طويلًا لإعادة معالجة التصاميم، استطاع النظام الجديد إنتاج تصميم قابل للطباعة خلال دقائق معدودة، ما يعزز سرعة التنفيذ ومرونته.

نتائج اختبارية واعدة

بلغ وزن الجسر نحو 410 كيلوجرامات، وتمكن من تحمل أكثر من 910 كيلوجرامات من الأحمال دون انحناء يُذكر، وهو ما تطابق مع نتائج المحاكاة الرقمية.

غير أن الاختبارات كشفت أن التصميم كان أكثر صلابة مما يلزم، بسبب القيود المفروضة من الطابعات الحالية، ما يعني أن تحسين هذه الأجهزة قد يتيح استخدام كميات أقل بكثير من المواد.

فرص تقليل الانبعاثات

أظهرت الدراسة أن تقليل سماكة طبقات الطباعة من 4 سنتيمترات إلى 1 سنتيمتر قد يخفض استهلاك المواد بنسبة تصل إلى 76%، مع الحفاظ على معايير السلامة.

ولا تقتصر الفوائد على تقليل المواد، بل تشمل أيضًا الاستغناء عن القوالب، ما يوفر الوقت والموارد، خاصة في المشروعات الفريدة أو الطارئة مثل إعادة الإعمار بعد الكوارث.

تحديات مستقبلية

يعتمد تصميم الجسر على مبدأ الضغط فقط، حيث تكون جميع أجزائه تحت قوى ضغط، وهو ما يناسب خصائص الخرسانة التي تكون قوية في الضغط وضعيفة في الشد.

وقد ظهر ذلك بوضوح عندما انهار الجسر عند رفع أحد أطرافه، نتيجة تعرضه لقوى شد لم يُصمم لتحملها.

ويسعى الباحثون حاليًا إلى تطوير هذه التقنية لتشمل الخرسانة المسلحة، رغم التحديات المرتبطة بدمج حديد التسليح في عملية الطباعة.

نحو بناء أكثر استدامة

تمثل هذه التقنية خطوة مهمة نحو تقليل البصمة الكربونية لقطاع البناء، من خلال تحسين كفاءة استخدام المواد وتسريع عمليات التشييد، ما يمهد الطريق لاعتماد أوسع لممارسات البناء المستدام في المستقبل.