أرضية “خضراء” لتحل محل الحديد باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.. مادة طبيعية قابلة لإعادة التدوير صديقة للبيئة

قام باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، وجامعة ماين، بتصميم وطباعة ثلاثية الأبعاد للوحة أرضية من مادة طبيعية قابلة لإعادة التدوير مكونة من قطعة واحدة تم اختبارها لتكون قوية بما يكفي لتحل محل مواد البناء مثل الفولاذ.

يعد المشروع جزءًا من برنامج تحالف المواد والتصنيع المستدام لتقنيات الطاقة المتجددة، أو SM2ART قام فريق SM2ART سابقًا ببناء BioHome3D ، وهو أول منزل مصنوع بشكل إضافي في البلاد مصنوع بالكامل من مواد ذات أساس بيولوجي.

تم عرض مكونات BioHome3D ولوحة الأرضية مؤخرًا خلال معرض الابتكار في مجال الإسكان لعام 2024 الذي نظمته وزارة الإسكان والتنمية الحضرية الأمريكية في National Mall.

تم تطوير لوحة الكاسيت SM2ART Nfloor لتحل محل مجموعات الأسطح التقليدية المصنوعة من الفولاذ والخرسانة كخطوة تحويلية لبناء الشقق والمباني السكنية.

تتمتع هذه التكنولوجيا بالقدرة على إنشاء أقسام قوية ذات أساس بيولوجي يمكن أن تجعل المباني متعددة الطوابق أكثر صداقة للبيئة. ويمكن أن يساعد أيضًا في زيادة استخدام الهياكل المستدامة التي يتم تصنيعها في منشأة بناء معيارية.

يقوم التصنيع المعياري أو المغطى بإنشاء أقسام كاملة من المبنى في مصنع خارج الموقع قبل تسليمها إلى موقع البناء للتجميع النهائي. أصبحت هذه الطريقة وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتطوير الهياكل السكنية المستدامة في المناطق الحضرية.

قالت كاتي كوبنهافر، الباحثة في ORNL، إن هذا الجهد الأول لإنشاء لوح أرضي قوي من الموارد الخضراء يعزز بشكل كبير إمكانية زيادة استخدام المواد العضوية في المباني المعيارية والمتعددة الوحدات السكنية.

لوحة أرضية من مادة واحدة صديقة للبيئة

وأوضحت كوبنهافر”من خلال استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد ذات الأساس الحيوي وواسعة النطاق، استبدلنا مجموعة مصنوعة من 31 جزءًا وثلاث مواد بلوحة أرضية من مادة واحدة صديقة للبيئة، وبنفس قوة الأرضيات الفولاذية التقليدية”.

تأتي متانة علبة الأرضية SM2ART من تركيبتها الفريدة من حمض البوليلاكتيك، أو PLA، وهو عبارة عن بلاستيك حيوي بوليستر لدن بالحرارة قابل للتحلل الحيوي مشتق من بقايا الذرة ودقيق الخشب المصنوع من مخلفات معالجة الخشب.

وقال سكوت توملينسون، المهندس الإنشائي في مركز الهياكل والمركبات المتقدمة بجامعة ماين: “يعد مزيج PLA ودقيق الخشب مادة ممتازة لإنتاج أجزاء كبيرة الحجم قابلة لإعادة التدوير وقابلة للتصنيع بشكل إضافي”، “إن مجموعة الأرضية المكونة من قطعة واحدة هذه أكثر صلابة وتوفر تجربة مشي محسنة بالمقارنة مع مجموعة الخرسانة الفولاذية التي تحل محلها.”

ولإنشاء لوحة الأرضية، استخدم الباحثون طابعة ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق لترسيب خليط دقيق PLA/الخشب في شكل هندسي دقيق.

من خلال العمل المستمر والمستقل، أنتجت الطابعة شريط SM2ART Nfloor على نطاق واسع، طبقة فوق طبقة، في حوالي 30 ساعة.

وقد أدت هذه العملية إلى توفير العمالة بحوالي 33% مقارنة بالجهد اللازم لإنشاء مجموعة مماثلة من الأرضيات الفولاذية يدويًا.

تأتي التكلفة الكبيرة للإطار الفولاذي التقليدي من قيام العمال بقطع القنوات للقناة الكهربائية وخطوط السباكة ومجاري الهواء للتدفئة والتهوية وتكييف الهواء بعد اكتمال تجميع الأرضية الفولاذية.

وقالت كوبنهافر: “يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن توفر الوقت والمال من خلال طباعة شريط الأرضية بفتحات مصممة في المنتج النهائي”، “العمل البشري الوحيد يتضمن تركيب طبقة عازلة للصوت وغطاء الأرضية الذي يرغب فيه المقيم.”

اقتصاد أكثر دائرية

كما أن شريط SM2ART Nfloor قابل لإعادة التدوير بالكامل، على عكس مواد البناء التي يتم نقلها إلى مكب النفايات بعد أن يصل المبنى الذي تم تشييده تقليديًا إلى نهاية عمره الإنتاجي، فإن مادة PLA هي مادة متجددة يمكن إعادة استخدامها لصنع منتجات أخرى بعد الهدم.

يوفر هذا النهج نحو اقتصاد أكثر دائرية القدرة على إعادة تدوير المورد بشكل مستمر بدلاً من التخلص منه كنفايات.

تم اقتراح فكرة المشروع البحثي على فريق SM2ART من قبل شركة SHoP Architects، وهي شركة تصميم معماري مقرها مدينة نيويورك.

وقالت كوبنهافر: “لقد سألوا عما إذا كان بإمكاننا إنتاج ألواح الأرضيات بكميات كبيرة بشكل أكثر كفاءة باستخدام مواد صديقة للبيئة والتصنيع الإضافي”، مضيفا ” اكتشاف شيء جديد، مع الأخذ في الاعتبار المتغيرات المختلفة، هو السمة المميزة لـ ORNL ومن خلال التجربة، توصلنا إلى السرعات المناسبة وأجرينا التعديلات اللازمة لإنتاج جزء نهائي بشكل موثوق بالمظهر النهائي والجودة المرغوبة.”

مشروع Nfloor في مراحله الأولية من التطوير، وستشمل الأبحاث الإضافية مثبطات اللهب، وإمكانية إضافة العزل المستدام وتحسين تقنيات الإنتاج.

وقال توملينسون من شركة UMaine: “ستكون الخطوات التالية هي جعل عملية التصنيع أسرع وأكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة مع وظائف إضافية”، “هذه التكنولوجيا تحمل الكثير من الوعود لمستقبل المباني المستدامة.”

يستمر البحث عن كاسيت SM2ART Nfloor في مرفق العرض التوضيحي للتصنيع التابع لوزارة الطاقة في ORNL، مع تنفيذ أعمال التصميم والطباعة ثلاثية الأبعاد في مركز الهياكل والمركبات المتقدمة بجامعة ماين.