Design, Fabrication, and Verification of LABLAB 2.0: A Large-Scale Multi-Part 3D Concrete Printed Sculpture
تفصّل هذه الورقة سير العمل المتكامل لتصميم وتصنيع والتحقق من LABLAB 2.0، وهو منحوتة خرسانية ثلاثية الأبعاد ضخمة متعددة الأجزاء، مما يثبت أن التنفيذ الناجح لا يعتمد فقط على أداء المواد والطباعة، بل يعتمد أيضاً على عوامل حاسمة مثل منطق التجزئة، واستراتيجيات التعامل، وإدارة التفاوتات، وتنظيم سير العمل.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل موقع بناء حيث تُستبدل الآلات الثقيلة المعتادة وأكوام الطوب بذراع روبوتية عملاقة واحدة. فبدلاً من وضع طوبة تلو الأخرى، تقوم هذه الآلة بضغط عجينة أسمنتية سميكة ورطبة، لتبني هيكلاً طبقة تلو أخرى، تماماً كما تطبع آلة الطباعة ثلاثية الأبعاد لعبة بلاستيكية. هذه التكنولوجيا، المعروفة باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة، انتقلت من التجارب المختبرية إلى المباني الحقيقية، مما يوفر وسيلة لإنشاء أشكال قد يكون من الصعب أو المكلف جداً صنعها باستخدام القوالب التقليدية. ومع ذلك، لا يزال هناك عائق رئيسي: كيف تطبع شيئاً ضخماً، مثل تمثال أو جسر، بينما الآلة نفسها صغيرة جداً بحيث لا يمكنها الوصول إلى كل زاوية؟ تكمن الإجابة في تقسيم المجسم إلى قطع أصغر يمكن التحكم بها، بحيث يمكن طباعتها بشكل منفصل، ونقلها إلى مكانها، وتركيبها معاً مثل أحجية معقدة.
هذا هو التحدي الذي واجهه فريق من الباحثين، والمهندسين المعماريين، والطلاب في جامعة ريغا التقنية من خلال مشروع أطلقوا عليه اسم LABLAB 2.0. لقد سعوا لتصميم وبناء والتحقق من صحة منحوتة ضخمة مصنوعة بالكامل من الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد، تم تثبيتها في حرمهم الجامعي. لم يكن الهدف مجرد إنشاء عمل فني، بل اختبار العملية برمتها لتحويل فكرة رقمية معقدة إلى مجسم مادي متعدد الأجزاء يمكنه مقاومة العوامل الجوية. وكانت النتيجة شخصية شاهقة يبلغ طولها 2.58 متراً، تتكون من ثلاثة عشر جزءاً منفصلاً، جُمعت باستخدام قضبان فولاذية ومثبتات كيميائية. كشف المشروع أنه بينما تنجح تكنولوجيا الطباعة، فإن الصعوبة الحقيقية تكمن في العمل غير المرئي للتخطيط، ولوجستيات نقل الخرسانة الرطبة الثقيلة، والتعديلات الدقيقة اللازمة لجعل القطع تتناسب مع بعضها البعض بشكل مثالي.
بدأت الرحلة بمسابقة تصميم اقترح فيها الطلاب أفكره. كانت الفكرة الفائزة عبارة عن شكل منحني معقد يشبه هيئة بشرية مميزة، لكن شكله كان أكبر من أن يتسع داخل آلة الطباعة، التي كان الحد الأقصى لمساحة عملها حوالي متر واحد في متر واحد. ولحل هذه المشكلة، تعين على الفريق تقسيم المنحوتة رقمياً إلى أجز de (أجزاء) أصغر. لم يكن هذا مجرد قطع بسيط؛ بل كان يجب أن يكون كل جزء صغيراً بما يكفي ليُطبع دون أن ينهار، وخفيفاً بما يكفي لرفعه برافعة، ومصمماً بحيث يتصل بأمان بجيرانه. أمضى الفريق شهوراً في تحسين هذه النماذج الرقمية، والتحقق باستمرار مما إذا كانت الأشكال قابلة للطباعة فعلياً وكيف سيتم التعامل معها لاحقاً. وقد تبين أن مرحلة التحضير الرقمي هذه كانت الجزء الأكثر استهلاكاً للجهد في المشروع بأكره، حيث تطلبت جهداً بشرياً أكثر من عملية الطباعة أو التجميع مجتمعين.
بمجرد اعتماد الخطة الرقمية، انتقل الفريق إلى أرض المصنع للبدء في طباعة الأجزاء. استخدموا خليطاً جافاً خاصاً من الخرسانة يحتوي على رماد الشيل (المرجل) والميتاكاولين، وهي مواد اختيرت لتقليل كمية الأسمنت وتحسين قدرة الخليط على الحفاظ على شكله أثناء خروجه من الفوهة. كانت الآلة عبارة عن نظام جسري ضخم مزود بفوهة يبلغ عرضها عرض الإصبع تقريباً، تقوم بضغط المادة في خطوط مستمرة. وعلى مدار شهر في يوليو 2025، قام الفريق بطباعة جميع المكونات الثلاثة عشر. استغرقت العملية حوالي ست وعشرين ساعة من وقت تشغيل الآلة الفعلي، لكن الجهد الإجمالي، بما في ذلك خلط الخرسانة وتنظيف المعدات ونقل الأجزاء الثقيلة إلى المخازن، امتد إلى ما يقرب من ستين ساعة. قام الفريق بطباعة 3.7 طن من المواد الجافة، مما أنتج أجزاءً تتراوح من قاعدة القدمين إلى قمة الخوذة.
كانت عملية الطباعة ناجحة في معظمها، لكنها لم تخلُ من العقبات. فقد تفتت أحد أجزاء البطن أثناء المناولة واضطر الفريق لطباعته مرة أخرى. كما أظهرت أجزاء أخرى مشكلات طفيفة مثل النبض الإيقاعي في تدفق المادة أو اهتزاز طفيف في الفوهة، مما خلق نتوءات صغيرة على السطح. سلطت هذه الأحداث الضوء على أن سرعة الآلة لم تكن العامل الوحيد للنجاح؛ بل إن تنظيم سير العمل بأكمله، من خلط الدفعة إلى نقل القطعة النهائية، كان لا يقل أهمية. وجد الفريق أن الوقت المستغرق في تحضير المواد وتنظيف الآلة كان جزءاً كبيراً من إجمالي وقت الإنتاج، مما يشير إلى أن التحسينات المستقبلية يجب أن تركز على اللوجستيات بدلاً من مجرد الطباعة بشكل أسرع.
كانت المرحلة الأخيرة، وربما الأكثر تطلباً، هي التجميع. تم نقل القطع الثلاث عشرة المطبوعة إلى الحرم الجامعي ورفعها إلى مكانها باستخدام رافعة ومنصة رفع. توجب على الفريق محاذاة الكتل الخرسانية الثقيلة، وحفر الثقوب، وإدخال القضبان الفولاذية لتماسك الهيكل. تطلبت هذه العملية حوالي 130 ساعة من العمل اليدوي. ولأن الأجزاء المطبوعة لم تكن مطابقة تماماً للنماذج الرقمية، اضطر العمال لقضاء وقت كبير في صنفرة الحواف الخشنة وحفر ثقوب جديدة لجعل القطع تتناسب مع بعضها. كانت أسطح الخرسانة، التي تشكلت من طبقات المادة المفرغة، هشة عند الحواف، وتسبب وزن أحزمة الرفع في حدوث بعض التآكل والتلف. أظهرت هذه التجربة أنه بالنسبة للهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد متعددة الأجزاء، يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار كيفية رفع القطع وربطها، وليس فقط كيف تبدو على شاشة الكمبيوتر.
للتحقق من دقة عملهم، قام الفريق بمسح المنحوتة النهائية باستخدام ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد عالي الدقة وقارنوا الخريطة الرقمية للكائن الحقيقي بتصميمهم الأصلي. كشف المسح أن المنحوتة النهائية كانت أكبر قليلاً مما هو مخطط له، حيث كان حجمها أكبر بنسبة 5% تقريباً من النموذج الرقمي. كما كان الارتفاع والعرض غير دقيقين أيضاً، مع وجود انحرافات تصل إلى 5% في بعض الاتجاهات. نتجت هذه الاختلافات عن انتشار الخرسانة قليلاً أثناء طباعتها وطريقة استقرار الطبقات. وبينما قد تبدو هذه الأخطاء صغيرة، إلا أنها كانت كبيرة بما يكفي لتتطلب عملاً إضافياً أثناء التجميع لضمان اتصال القطع بشكل صحيح. أكدت الدراسة أن الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة هي وسيلة قابلة للتطبيق لإنشاء أعمال فنية وهياكل معقدة، لكنها أثبتت أيضاً أن هذه التكنولوجيا ليست بعد عملية "اضبط واننسَ". فهي تتطلب تكاملاً عميقاً بين التصميم، وعلوم المواد، ولوجستيات البناء، حيث يجب اتخاذ كل قرار بشأن كيفية قطع القطعة وطباعتها ورفعها قبل وقت طويل من وضع أول طبقة من الخرسانة. تقف منحوتة LABLAB 2.0 الآن في الحرم الجامعي كحالة اختبار دائمة، بانتظار مراقبتها بمرور الوقت لمعرفة مدى صمودها أمام الطقس واختبار الزمن.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.