دانشمندان آمریکایی بتن خم‌شونده با انعطاف‌پذیری 11.9% بیشتر برای چاپ سه‌بعدی توسعه می‌دهند
محققان در دانشگاه نیومکزیکو (UNM) با ثبت اختراع ماده بتنی خم‌شونده ای که برای چاپ سه‌بعدی طراحی شده است، به یک پیشرفت بزرگ در نوآوری ساخت و ساز دست یافتند.
مجهز به یک چاپگر بتنی سه‌بعدی و ابزارهای اندازه‌گیری پیشرفته، تیمی از دپارتمان مهندسی عمران، ساخت و ساز، و محیط زیست جرالد می، به چالش‌های دیرینه در نگهداری زیرساخت‌ها و ساخت و ساز پرداختند.
این ماده جدید، ماده سیمانی فوق انعطاف‌پذیر و خود تقویت‌شده، می‌تواند راه را برای ساختمان‌ها و پل‌های امن‌تر و مقاوم‌تر هموار کند و به طور قابل توجهی نیاز به تعمیرات مکرر را کاهش دهد.
بازاندیشی در ساخت و ساز سنتی
روش‌های سنتی ساخت و ساز اغلب به ماشین‌آلات سنگین و کار یدی نیاز دارند تا تیرهای فولادی یا چوبی را نصب کنند، فرایندی که نه تنها هزینه‌بر است بلکه خطرناک نیز می‌باشد. مریم هجتی، استادیار دانشگاه نیومکزیکو، تلاش‌ها برای خودکارسازی و نوآوری در این فرآیند با استفاده از چاپ سه‌بعدی را رهبری می‌کند.
بتن ، با اینکه در فشار قوی است، به صورت بدنامی در کشش شکننده است. این ویژگی منجر به ترک‌های مکرر و نیاز به نگهداری مداوم می‌شود، چه در پیاده‌روها، ساختمان‌ها یا پل‌ها. "بتن به تنهایی هیچ خاصیت کششی نشان نمی‌دهد. یعنی اگر قطعه‌ای از بتن را بکشید، به راحتی می‌شکند. این یک ماده بسیار شکننده است،" هجتی توضیح داد.
بلایای طبیعی مانند زمین‌لرزه‌ها و بادهای شدید مشکل را افزایش می‌دهند. این نیروها فشار بر سازه‌ها وارد می‌کنند و نقاط ضعف بتن را بیش از پیش آشکار می‌کنند. "ماده باید هم در برابر کشش و هم فشردگی مقاومت کند. بتن برای فشرده‌سازی ماده‌ای عالی است، اما وقتی نوبت به کشش می‌رسد، ماده‌ای ضعیف است،" او اضافه کرد.
در سطح جهانی، محققان در تلاش بوده‌اند تا به این مشکلات بپردازند، اما تکنیک‌های موجود چاپ سه‌بعدی همچنان به تقویت‌های سنتی مانند تیرها یا میل‌گردها نیاز دارند که پتانسیل کامل خودکارسازی چاپ سه‌بعدی را محدود می‌کنند.
علم پشت بتن خم‌شونده
محققان دانشگاه نیومکزیکو راه‌حلی برای پرداختن به این محدودیت‌ها توسعه داده‌اند. فارغ‌التحصیل دکترای محمد سعید ظفر یک ترکیب ماده ایجاد کرده است که هم قوی و هم انعطاف‌پذیر است. "اگر در مورد چاپ سه‌بعدی یا تولید افزودنی در حوزه فلزات و پلاستیک صحبت کنیم، در مرحله‌ای بسیار پیشرفته است، اما چاپ بتن هنوز در حال توسعه است," ظفر اشاره کرد .
این ماده جدید دارای غلظت بالایی از الیاف پلیمر است که هر دو استحکام کششی و انعطاف‌پذیری را فراهم می‌کند. "به دلیل وارد کردن مقادیر زیادی از الیاف کوتاه پلیمری در این ماده، می‌تواند زمانی که به هر نیروی خمشی یا کششی وارد شود، بتن را به یکدیگر نگهداری کند," هجتی گفت.
ماده ثبت شده، که در همکاری با ظفر و محقق امیر بخشی توسعه یافته، چهار ترکیب متفاوت ارائه می‌دهد و قابلیت کرنش تا 11.9% بالاتر از مواد سنتی را دارد. این ترکیب، چسبندگی لازم برای چاپ سه‌بعدی روان را بدون گرفتگی نازل حفظ می‌کند.
دستیابی به این تعادل کار آسانی نبود. آزمایش‌ها شامل چاپ ساختارهای کوچکی مانند منشورها و استخوان‌های سگ‌ها، و سپس ارزیابی دقیق خمشی و استحکام کششی بود. مواد مختلفی آزمایش شدند، از جمله الکل پلی وینیل، دود سیلیکا، خاکستر بادی، و الیاف پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا.
ظفر توضیح داد: "هدف اصلی انجام این کار پرداختن به مشکل تقویت در چاپ 3D بتن بود." "ما ادعا می‌کنیم که چاپ 3D بتن یک فرآیند خودکار است. اما روش‌های تقویت سنتی در این فرآیند خودکارسازی را به خطر می‌اندازند."
هموار کردن راه برای آینده
پیامدهای این پیشرفت بسیار فراتر از زمین گسترش می‌یابد. سازمان‌های فضایی مانند ناسا در حال بررسی چاپ 3D به عنوان یک راه‌حل برای ساخت سازه‌ها در سایر سیارات هستند. حمل و نقل تیرهای فولادی سنگین و نیروهای کار بزرگ به فضا کارآمد نیست، بنابراین مواد نوآورانه مانند بتن خم‌شونده دانشگاه نیومکزیکو یک تغییر دهنده ممکن در بازی است.
نزدیک‌تر به خانه، این فناوری می‌تواند صنعت ساخت و ساز را با امکان‌پذیر کردن ساختارهایی که در برابر بلایای طبیعی مقاوم‌تر و نیاز به نگهداری کمتری دارند، تغییر دهد. همچنین افزایش خودکارسازی را ترویج می‌کند، که هزینه‌ها و خطرات مرتبط با روش‌های ساخت و ساز سنتی را کاهش می‌دهد.
هجتی گفت : "این تحقیق بسیار موفقیت‌آمیز بود. این ماده خاصیت چاپ سه‌بعدی و قابلیت ساختاری بسیار بالایی دارد که می‌تواند در صنعت ساخت و ساز استفاده شود."
