עתיד הבניה: מבנים ייבנו מרכיבים מודפסים בהדפסת בטון תלת ממדית


1 דקות קריאה


הדפסת מבנים תלת-מימדית

הדפסת מבנים תלת-מימדית מבטון נשמעת כאגדה הלקוחה מאחד מספרי המדע הבדיוני ההזויים ביותר. אבל הטכנולוגיה הזאת, הנמצאת עדיין בחיתוליה, קיימת כבר בעולם הממשי. ואם יאמרו לכם, כי בעתיד הלא כל כך רחוק ניתן יהיה להדפיס - כן, להדפיס! - מבנים שלמים ואפילו מגדלים רבי-קומות מבטון, אל תסתכלו במי שאומר לכם זאת כמתעתע. )Loughborough קבוצת מחקר הנדסית באוניברסיטת לאפבורו ) בבריטניה, בראשותו של ד'ר סאנגוו לים, פיתחה מדפסת תלת-מימדית המסוגלת לבנות אובייקטים עשויים בטון המקבלת הוראות ישירות ממחשב, שבו תוכננו אובייקטים אלה בתבניות מוזרות ומשונות. הדפסת בטון, המוכרת גם כייצור רכיבים, היא דוגמה אחת לפיה סוג מסוים של בטון, שפותח במיוחד עבור התהליך, מונח במכונת הדפסה תלת-מימדית בצורה מדויקת ביותר בשכבות, זו על גבי זו, לפי הוראות שהיא מקבלת מהמחשב, שבו תוכנן ושורטט הרכיב. בצורה זו מצליחים החוקרים באוניברסיטת לאפבורו להדפיס כבר היום ספסל מפותל עשוי בטון מזוין בגודל של שני מ"ר ובמשקל של טונה אחת.

הכל אפשרי בהדפסה – הדפסת רכיבי בטון

ריצ'ארד באסוול, מרצה בכיר באוניברסיטת לאפבורו וחוקר  ראשי במיזם הבנייה הנקרא  Freeform  משום שביכולתו להדפיס מבני בטון תלת-מימדיים בצורות חופשיות ודמיוניות, מצהיר: "הכל כבר אפשרי! אנחנו עובדים על אבות-טיפוס, אבל תוך חמש שנים - עם כסף ותשוקה - לא יהיה עוד גבול למה שניתן יהיה להדפיס בבטון". באופן תיאורטי ניתן יהיה להדפיס גם גורד שחקים, אבל באסוול מאמין, שיותר מתקבל על הדעת שטכנולוגיית הדפסת הבטון התלת-מימדית שפיתח הצוות שלו תשמש להדפסת רכיבי בטון, יותר מאשר להדפסת מבנים שלמים. "אני מצפה שישתמשו בהדפסת בטון לבניית מבנים מיוחדים או לפחות כמה חלקים מהם", הוא אומר. וזו אינה אגדה. אם תרצו או לא תרצו, בעתיד ניתן יהיה לגשת למהנדס אזרחי מתכנן, לשרטט יחד איתו על גבי המחשב את דגם הבית שאתם חפצים בו, ולבקש ממנו להדפיס אותו. המהנדס ישלים את השרטוט של הדגם במחשב תוך חישובים הנדסיים, יהפוך אותו שם לדגם תלת-מימדי, יפרק אותו למרכיביו וישלח את השרטוט בדואר אלקטרוני לבית דפוס תלת-מימדי לבטון. בבית דפוס זה יהיו מדפסות תלת-מימדיות שידפיסו את רכיבי המבנה. התוצאה תהיה רכיבים תלת-מימדיים מבטון, שצריך יהיה רק להובילם לאתר הבנייה ולהרכיבם שם יחד כדי לבנות בית חד-קומתי, דו-קומתי, או אפילו רב-קומות בכל קונפיגורציה שרק תעלה על דעתכם. זהו החזון הנוכחי לגבי עתיד ענף הבנייה והנדסת הבנייה. כשזה יקרה - וזה יקרה בעתיד הנראה לעין - ישתנו לחלוטין מקצועות הנדסת הבנייה.

מדפיסים כל דבר

הדפסה תלת-מימדית אינה המצאה חדשה. זוהי טכנולוגיית ייצור חדשנית הקיימת מזה כעשור, המאפשרת למהנדסים לייצר דגמים תלת-מימדיים היישר מתוך תוכנות התיב"ם (תכנון וייצור בעזרת מחשב). מכונות הדפוס התלת-מימדיות מייצרות כיום את הדגמים הנשלחים להם מהמחשב מפולימרים שונים, שכבה על גבי שכבה, עד שלבסוף מתקבל הדגם הסופי, בדיוק כפי שתוכנן על-ידי המהנדס במחשב. ובעצם, כדאי אפילו לשאול: איך לא חשבו על זה קודם? הרי הטכנולוגיה של מדפסות דו מימדיות, שמדפיסות תמונות, ציורים, איורים ותוכניות על-פי הוראות שהן מקבלות מהמחשב, קיימת כבר כמה עשורים. כל מה שהיה צריך לעשות זה לפתח ולייצר מדפסות תלת-מימדיות, שבמקום  בדיו ידפיסו בחומרים אחרים. ואכן, משווקות לשוק מדפסות תלת-מימדיות המדפיסות עצמים וגופים שונים בפולימרים מלאכותיים, שחלקם הם חומרים פלסטיים המתקשחים. כיום כבר קיים בשוק מגוון גדול של מדפסות תלת-מימדיות, שחלקן זולות במחיר של כמה מאות דולרים, כאשר עלות המדפסות המשוכללות והמתוחכמות ביותר עשויה להגיע למאות אלפי דולרים. תוך זמן קצר שולבו המדפסות התלת-מימדיות בענפי ייצור רבים בתעשייה ותהליכי הייצור שלהן מכונים "תהליכים חבירים" ), שמשמעותם היא שהרכיב או החפץ Additive processes( המיוצר נוצר תוך חיבור רציף של שכבות מודפסות דקות של חומרים. זאת, להבדיל מטכניקות הייצור הרגילות במכונות. כיום כבר מודפסים אלפי רכיבים מפולימרים, מתכות וחומרים אחרים בתעשיות החלל, התעופה, הרכב, הרפואה, התכשיטים, ההנעלה, האדריכלות, החינוך ועוד תחומים רבים אחרים. מוצרים רבים הנמצאים בשימוש יומיומי הם מוצרים מודפסים למעשה, ולא חרוטים, חתוכים, קדוחים או מנוסרים.

מדפיסים איברים להשתלה בגוף האדם

לאחרונה פורסם על מיזם הזנק חדש, משותף לחברה אמריקאית ולחברה אוסטרלית, שבו מפתחים טכנולוגיית הדפסת תלת מימד חדשנית, ראשונה מסוגה, ליצירת רקמות תאים אנושיות וכלי דם עבור תעשיית התרופות, הדומות מאוד לרקמות התאים הטבעיות בגוף האדם. החזון של תחום זה הוא, שבעתיד ניתן יהיה אפילו להדפיס איברים שלמים להשתלה בגוף האדם. האיברים המודפסים העתידניים לא  יהיו זהים בהכרח לאיברים המקוריים אותם הם אמורים להחליף, אך יבצעו את התפקיד הנדרש מהם ובכך יקטינו משמעותית את הסיכויים לדחיית האיבר המושתל בידי הגוף. ואם לא די בכך, הרי שבמכון MITהטכנולוגי של מסצ'וסטס מפתחים כבר  מדפסת תלת-מימדית שתוכל להדפיס רובוטים לשימוש ביתי, שיסייעו בביצוע מטלות תחזוקת הבית, כאשר תאריך היעד לסיום הפרויקט הוא שנת 2017 רק טבעי הוא שמקומה של ישראל לא נפקד מתחום טכנולוגיה עילית חדש זה.

אובג'ט גיאומטריקס

בפארק התעשייתי שליד מכון ויצמן ברחובות פועלת מאז 1998 חברת הזנק בשם "אובג'ט גיאומטריקס", שבשנות האלפיים עלתה על גל ההדפסה התלת מימדית. "אובג'ט" הצליחה לפתח מדפסות תלת-מימדיות בעלות טכנולוגיה ייחודית, המדפיסות דגמים תלת-מימדיים באמצעות פלסטיק הנקרא פוטו-פולימר. בזכות זאת זוכה החברה להצלחה עולמית. המדפסות התלת-ממדיות של החברה מאפשרות ליצרנים ולאנשי העיצוב התעשייתי לצמצם את שלבי פיתוח המוצר ולקצר את פרק הזמן החולף משלב תכנון המוצר עד שלב השיווק במגוון תחומי תעשייה. חברות במגוון תעשיות משתמשות במודלים אותם מפיקה מדפסת התלת מימד בשלבי התכנון של מוצרים, עוד לפני שהם מגיעים לייצור המוני.   "אובג'ט", שברשותה 67 פטנטים בלעדיים בתחום המדפסות בתלת-מימדיות, הקימה מפעל בקריית גת גם ומעסיקה כיום 440  עובדים, מתוכם כ 284 בישראל, 63 בארה"ב ו-44 באירופה. בשנת 2009 העסיקה החברה רק 210 עובדים. בין 2800 לקוחות החברה ברחבי העולם נמצאות גם יצרנית הרכב "פולקסווגן", יצרנית ציוד הספורט "אדידס", יצרנית הציוד הרפואי "בוסטון סיינטיפיק"  ויצרנית הצעצועים "האסברו". הכנסות החברה בשנת 2011 היו כ-219 מיליון דולרים. לאחרונה ביקשה "אובג'ט" להצטרף לנאסד"ק ולהנפיק שם את מניותיה לפי שווי של כ600 מיליון דולר, אבל ביטלה את בקשתה לאחר שהחליטה להתמזג עם החברה המתחרה עימה בארה''ב,  כיום אין עוד ספק, שההדפסה התלת-מימדית משנה את דגם . הייצור ההמוני ששלט כמעט בכל התעשיות במאה ה-20. במאה ה-21 יתגשם כנראה החלום שבו ניתן יהיה לייצר מוצרים ייחודיים, אפילו לפי הזמנה פרטנית, באמצעות הדפסה.

להדפיס בטון

רכיבי הבטון יודפסו באתרי הבנייה למרות התרחבות שוק המדפסות התלת-מימדיות איש לא חשב שאפשר להדפיס לא רק בפולימרים ובמתכות אלא גם בבטון, עד שבאו החוקרים של אוניברסיטת לאפבורו בבריטניה והוכיחו שניתן בהחלט להדפיס רכיבי בניין מבטון ולחברם לאחר מכן למבנה שלם. אוניברסיטת לאפבורו היא אוניברסיטת מחקר הנמצאת בעיר השוק הנושאת את אותו שם, במחוז לצ'סטרשייר באנגליה. היא אחת האוניברסיטאות המובילות בבריטניה, למרות . כיום לומדים בה 19000 סטודנטים, רובם במקצועות טכנולוגיים והנדסיים. צוות המחקר להדפסת בטון בראשות ד"ר סאנגוו לים, בעל תואר בוגר בהנדסת אדריכלות מאוניברסיטת קון-קוק בדרום קוריאה, שעשה דוקטורט בתכנון הנדסי באוניברסיטת סטראטקלייד בבריטניה, פועל במימון שלוש חברות הנדסיות: "יונדאי להנדסה ובנייה" הדרום קוריאנית; חברת האדריכלות הבריטית הגדולה "פוסטר ושות"'; וחברת הייעוץ ההנדסי הבריטית הגדולה "בורו הפולד". מסביר ד"ר לים: "מיזם הדפסת הבטון התלת-מימדית -  Concrete Printing 3DCP הוא תהליך ייצור חביר בהיקף גדול שביכולתו לייצר רכיבי מבנה בגודל מלא, שמעניקים לאדריכלים מרחב חופשי עצום לתכנון, משום שרכיבי הבטון מיוצרים ישירות מהדגם הדיגיטלי שיצר האדריכל במחשב. 

הדפסת ספסל הפלא

הצלחנו להדפיס את 'ספסל הפלא' עשוי בטון כבר בשנת 2010. חומר הבנייה של הספסל היה בטון 2x1x0.81 מ' שפותח במיוחד עבור תהליך ההדפסה והצלחנו להוכיח שכוחה של יציקת הבטון המודפס הוא 95% מכוחה של יציקת בטון קונבנציונלית. "פיתוחים נוספים של התהליך כללו הדפסת שכבות כפופות ומעוקלות במקום השכבות השטוחות הקונבנציונליות וזאת במטרה להשיג משטחים חלקים וחזקים יותר. כתוצאה מכך הצלחנו לייצר את לוחות הבטון המעוקלים פעמיים עם חללים   פנימיים תואמים, הראשונים מסוגם בעולם. הצגנו אותם לעיני כל. בתערוכה במרכז הבנייה הבריטי בשנת "עתה משנה הצוות את מספר צירי הזרוע הרובוטית של מכונת הדפוס משלושה צירים לשבעה צירים כדי למקסם את איכות ההדפסה, מהירותה ומימדיה.

דור שני של מערכת ההדפסה התלת-מימדית

אנחנו מפתחים עכשיו דור שני של מערכת ההדפסה התלת-מימדית ואנחנו משוכנעים כי צפוי עתיד מזהיר לגל החדש של טכנולוגיות הבנייה האלה". לאחרונה החל צוות המחקר להדפיס - בלחיצת כפתור אחת בלבד - רכיבי בטון בצורות שונות בגודל של  מטרים. x2.5x52 התועלת הצפויה בשלב הראשון מפיתוח הדפסת הבטון לבנייה הם רכיבים מדויקים יותר, שימנעו בזבוז חומרים ויפחיתו את פליטת הפחמן הדו-חמצני בהשוואה לבניית הבטון הקונבנציונלית. גם פליטת המזהמים של המשאיות הכבדות המובילות את רכיבי המבנה לאתרי הבנייה תפחת בהרבה, משום שניתן יהיה להדפיס את לוחות הבטון בסמוך לאתרי הבנייה.

בטון מיוחד לצורכי הדפסה

נטשה ווטסון, מהנדסת מחקר בחברת "בורו הפולד", השותפה למימון המחקר, מוסיפה. "איכויות הבטון המודפס לשימוש בשטחים הפנימיים של בניינים עונות לדרישות תקנות החום והלחות והנשימה שלו מספקת אוויר באיכות טובה יותר בחדרים. זהו חומר טבעי שניתן לעשותו עמיד לשינויי מזג האוויר באמצעות טיוח וסיוד". תהליך ייצור הבטון המיוחד לצורכי ההדפסה מסתמך על תערובת מלט מדויקת במלט, הנקבעת על ידי המחשב. האדריכל קסבייר דה קסטלייה, שותף בכיר בחברת האדריכלות הבריטית "פוסטר ושות'", אומר כי "המחקר המתבצע באוניברסיטת לאפבורו מעניק לנו הזדמנויות עצומות. הוא מאפשר לנו הצצה לעבר עתיד ענפי האדריכלות והבנייה, לראות איך תיראה הבנייה בעוד חמש או עשר שנים". ומוסיף הזרוע הרובוטית של מכונת הדפסת הבטון היוצקת שכבות דקות של בטון זו על גבי זו כדי ליצור את התבנית המבוקשת של רכיב הבטון פרופ' סימון אוסטין, חוקר בכיר באוניברסיטת לאפבורו: "הראינו כיצד ניתן לפתח ייצור חביר לייצור מבנים גדולים, כמו לוחות וקירות בטון, עם חללים מדויקים בתוכם". אין ספק שבעתיד תתפתח הדפסת רכיבי הבטון ותגיע לגבולות הבלתי מוכרים כיום בתעשיית הבנייה. האתגר הגדול העומד בפניה הוא האתגר הניצב בפני כל חדשנות. לשכנע את מי שביססו את כל הקריירות ההנדסיות שלהם על טכנולוגיות ושיטות בנייה מוכרות, להחליף את אלה בשיטות חדשות. יהיה צורך בראשים הנדסיים פתוחים ללא דעות קדומות של מהנדסים וחברות בנייה, כדי להפוך את שיטות הבנייה המסורתיות על פניהן ולאמץ את הבנייה באמצעות רכיבי בטון מודפסים. זה קרה כבר בתעשיות האחרות, כולל המתוחכמות ביותר. אין שום סיבה שזה לא יקרה גם בתעשיית הבנייה.

הערות
* כתובת הדואר האלקטרוני לא תוצג באתר.