معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: جسر مصنوع بالطباعة ثلاثية الأبعاد يحمل أكثر من 2000 رطل من الاختبارات، ويقلل استخدام الخرسانة بنسبة 76%
طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إطار عمل يحل عقبة رئيسية في البناء الصديق للبيئة: عدم قدرة الطابعات ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق على تصنيع هياكل خرسانية عالية الكفاءة ومُحسَّنة بالكمبيوتر. تم التحقق من صحة هذا النهج من خلال طباعة جسر خرساني بطول 2.3 متر ويحمل أكثر من 2000 رطل. لقد أظهر أن تحسين أجهزة الطابعة (مثل تضييق عرض الخط المطبوع) هو المفتاح الأكبر لتحقيق وفورات هائلة في الخرسانة وتقليص البصمة الكربونية للصناعة. قالت جوزفين كارستنسن، المؤلفة الرئيسية وأستاذ التطوير الوظيفي في الهندسة المدنية في جيلبرت وينسلو (1937)، “استغرق صنع الجسر حوالي 30 دقيقة وتم بناؤه من الملاط الجاهز”. الحل الذي يستغرق دقيقتين: غالبًا ما تتطلب الطرق الحالية للخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد أيامًا من المعالجة اللاحقة اليدوية لجعل التصميم الجامح للكمبيوتر قابلاً للطباعة. عادة، كانت التصميمات المثالية رياضيًا معقدة للغاية بحيث لا يمكن إنشاء الطابعات ذات الفوهات السميكة. قال هاجين كيم تاكوياك، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم الهندسة المدنية والبيئية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (CEE): “لقد وجدنا الكثير من الشقوق التي يمكن أن نسقط فيها عندما يتعلق الأمر بترجمة هذه التصميمات الفائقة المثالية إلى تصميمات قابلة للتصنيع. كانت تلك الشقوق مثل الصدوع”. طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إطارًا رياضيًا باستخدام “تحسين الأعداد الصحيحة المختلطة” المتقدم. يقوم هذا البرنامج بإدخال حدود التصنيع الواقعية للطابعة مباشرة في عملية التصميم. وينشئ تصميمات قابلة للبناء بالكامل على جهاز كمبيوتر محمول في “دقيقتين” فقط. فهو يشتمل على قيود الأجهزة الواقعية، مثل نصف قطر دوران الفوهة ومتطلبات المسار المستمر. لتحديد القيود الدقيقة للطابعات ثلاثية الأبعاد الخرسانية واسعة النطاق، تعاون فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مع مشغلي الآلات في مركز التكنولوجيا التابع لشركة Autodesk في بوسطن. كشفت هذه الأفكار العملية عن ثلاثة معوقات في التصنيع: سمك الخرزة المطلوبة، ودقة تدوير الفوهة، والحاجة إلى الطباعة في سطر واحد متواصل. ومن الجدير بالذكر أنه تم دمج القواعد المادية مباشرة في برامجهم، لتحل محل الأساليب القديمة وغير الفعالة. عندما احتاج الفريق إلى تقليل حجم الجسر قليلاً في يوم الطباعة، قاموا ببساطة بإعادة تشغيل التحسين وحصلوا على تصميم محدث خلال 5 إلى 10 دقائق. يقول زين شيمر، المؤلف الأول المشارك وطالب دكتوراه في أوروبا الوسطى والشرقية: “بالعودة إلى خمس أو عشر سنوات مضت، لم يتمكن الحل الذي استخدمناه، حتى قبل ثلاث سنوات، من حل هذه المشكلات. لقد تم تجنب هذا المجال، لأن الجميع يعتقدون أنه ليس طريقًا يمكننا اللجوء إليه. ولكن مع الخوارزميات والموارد الجديدة، أصبحت طريقة يمكننا من خلالها البدء في تأطير المشكلات”. تقليل استخدام المواد للتحقق من صحة إطار عملهم، نجح الباحثون في طباعة واختبار جسر خرساني يبلغ وزنه 900 رطل ويدعم أكثر من 2000 رطل دون أي انحناء تقريبًا. لقد كانت متوافقة تمامًا مع عمليات المحاكاة الخاصة بهم. ومع ذلك، كشف الاختبار بشكل مفاجئ أن الهيكل كان مبالغًا في تصميمه بشكل كبير. حتى حمل معين، لم يكن شكل الهيكل محددًا بالخرسانة ولكن بالقيود المادية للطابعة. قدم هذا الاكتشاف خريطة طريق واضحة لمستقبل تكنولوجيا البناء. على وجه الخصوص، يقوم الإطار بحساب التصميم المثالي رياضيًا. وبالتالي، يمكن استخدامه لقياس مقدار كفاءة المواد المفقودة بسبب قيود الأجهزة هذه بدقة. ووجد الفريق أن تقليل عرض الخرزة المطبوعة من 4 سم إلى 1 سم يمكن أن يقلل استخدام المواد بنسبة تصل إلى 76 بالمائة. وبما أن الهيكل يعتمد على مقاومة الخرسانة العالية لقوى الضغط، فإنها لا تحتاج إلى قوالب مهدرة. وهذا يجعلها مثالية لبناء البنية التحتية للإغاثة في حالات الكوارث بسرعة. ولكنه يظل عرضة لقوى الشد، كما ظهر عندما انكسر جسر الاختبار بعد رفعه من الزاوية. ولمعالجة هذا القيد، تركز المرحلة التالية للفريق على تطوير الخرسانة المسلحة، على الرغم من أن دمج حديد التسليح في عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد يمثل تحديات تقنية فريدة خاصة به.
تم النشر: 2026-07-17 15:08:00
