ساخت ماکت معماری با پرینتر سه بعدی: ایده تا واقعیت

با وجود امکان ساخت ماکت معماری با پرینتر سه بعدی و با انتقال از تخته‌طراحی به صفحه‌های دیجیتال، مدل‌های فیزیکی همچنان نقشی مهم در کمک به معماران برای تجسم نقشه‌ها ایفا می‌کنند. فناوری‌های چاپ سه بعدی به پر کردن فاصله بین دنیای دیجیتال و فیزیکی کمک کرده و به معماران و مدل‌سازان امکان می‌دهند با استفاده از نقشه‌های دیجیتالی، مدل‌های معماری را با دقت بالا، سرعت بالا و با هزینه کمتر بسازند. این راهنما اطلاعات جامع در مورد استفاده از چاپ سه بعدی برای تولید مدل‌های معماری، فرآیندهای مختلف پرینت سه بعدی در معماری، و روند کار ایجاد مدل‌های چاپ سه بعدی از نرم‌افزار طراحی به کمک رایانه (CAD) را فراهم می‌کند.

چرا باید مدل‌های معماری را به‌صورت سه بعدی پرینت کرد؟

از زمان فراعنه، مدل‌های معماری به‌عنوان نوعی نمایشی فیزیکی در توسعه سازه‌ها برای کمک به فروش پروژه، حمایت از اقدامات جمع‌آوری کمک مالی، و حل چالش‌های ساخت‌وساز به‌کار گرفته می‌شدند. در حالت سنتی، مدل‌سازی یک کار دستی بوده و شامل کار با موادی مانند چوب، سرامیک، مقوا یا خاک رس است که می‌تواند بسیار زمان‌بر و تکراری باشد. امروزه استودیوها و دفاتر معماری به طیف وسیع‌تری از ابزارها، از جمله دستگاه‌های CNC، برش‌ لیزری و پرینترهای سه بعدی دسترسی دارند که می‌توانند نیاز به نیروی کار را کاهش داده و سرعت روند کار را افزایش دهند.

ساخت ماکت معماری با پرینتر سه بعدی به معماران و مدل‌سازان امکان می‌دهد نحوه ساخت مدل‌ها را متحول کنند، از جمله:

• سرعت بخشیدن به فرآیند ساخت مدل‌های معماری.
• تبدیل مستقیم نقشه‌های CAD به مدل‌های فیزیکی سه بعدی با دقت بالا.
• تولید قطعات با طراحی‌های پیچیده که ساخت آن‌ها به‌صورت دستی دشوار یا غیرممکن است.
• ساده‌سازی ارتباطات و نمایش مناطق خاصی که انتقال آن‌ها از طریق نقشه‌های دوبعدی معمول دشوار است.
• ایجاد تعداد بیشتری از تکرارهای طراحی با هزینه‌های تولید کمتر.

به‌عنوان مثال، مدل‌سازان Renzo Piano Building Workshop (RPBW) که توسط معمار برنده جایزه Pritzker تأسیس شده است، از یک پرینتر SLA سه بعدی برای توسعه و ساخت سریع مدل‌های دقیق استفاده می‌کنند. فرانچسکو تراانووا، مدل‌ساز در RPBW، می‌گوید: «مدل‌های ما هر روز یا حتی هر ساعت تغییر می‌کنند. چون معماران پروژه را خیلی سریع تغییر می‌دهند، بیشتر اوقات ما وقت کافی برای انجام کار به‌صورت دستی نداریم. بنابراین، باید راهی پیدا کنیم که سریع‌تر انجام دهیم.»

پرینترهای سه بعدی می‌توانند مدل‌ها را ظرف چند ساعت ایجاد کرده و حتی برای صرفه‌جویی در زمان در طول شب کار کنند. آقای تراانووا می‌گوید: «خوبی این است که می‌توانیم پرینتر را شب روشن کنیم و صبح که برمی‌گردیم، مدل آماده است. به این ترتیب، در طول روز وقت را از دست نمی‌دهیم.»

پرینت سه بعدی را می‌توان برای تولید مدل‌های معماری کامل ساختمان‌ها و همچنین در ترکیب با ابزارها و فرآیندهای دیگر استفاده کرد. مدل‌سازان RPBW ممکن است از ماشین‌کاری CNC یا برش لیزری برای تولید قطعات پایه مدل‌های معماری خود و از یک پرینتر سه بعدی برای توسعه قطعات پیچیده‌تر یا جزئیاتی مانند پله‌ها، درخت‌ها، کره‌ها و سطوح منحنی استفاده کنند که ساخت آن‌ها به‌صورت دستی زمان‌بر است. به‌عنوان مثال، تیم RPBW اتصالات پیچیده ستون‌های مدل پل جدید بزرگراه سن جورجو در جنوا که اخیراً جایگزین پل موراندی شده است را پرینت سه بعدی کردند. این ترکیب چاپ سه بعدی با راه‌حل‌های تولید سنتی، روند خلاقیت را سرعت بخشیده و دقت مدل‌های معماری را افزایش می‌دهد.

یکی از اهداف اصلی مدل‌های معماری سه بعدی، ساده‌سازی ارتباط بین معماران و آسان‌تر کردن نمایش طرح‌ها به مشتریان است. پروژه‌های شرکت طراحی لس‌آنجلسی Laney LA بیشتر خانه‌های سفارشی هستند، بنابراین انتقال مقیاس خانه یا سازه به‌ویژه مهم است. پل چوی، معمار، و تیم او از پرینت سه بعدی برای نمایش بخش‌های خاص پروژه که انتقال آن‌ها از طریق نقشه‌های دو بعدی معمول دشوار است، استفاده می‌کنند.

چوی می‌گوید: «جالب است که همیشه سعی کنیم ایده‌ای خاص از پروژه را به‌وسیله مدل نمایش دهیم، چه یک اتاق خاص باشد یا فضایی که می‌خواهیم از طریق یک برش مقطعی از مدل برجسته کنیم، یا حتی توپوگرافی سایت.»

انتخاب پرینتر برای ساخت ماکت معماری با پرینتر سه بعدی

برای ساخت ماکت معماری با پرینتر سه بعدی، همه روش‌ها به‌طور یکسان عمل نمی‌کنند. انتخاب تکنولوژی مناسب پرینت برای استفاده‌های خاص اهمیت ویژه‌ای دارد.

محبوب‌ترین تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی برای ماکت‌های معماری شامل استریولیتوگرافی (SLA)، مدل‌سازی ذوب‌شونده (FDM)، سینترینگ لیزری انتخابی (SLS)، و چاپ جت بایندر (Binder Jetting) است.

استریولیتوگرافی (SLA)

استریولیتوگرافی اولین تکنولوژی پرینت سه بعدی بود که در دهه ۱۹۸۰ اختراع شد و همچنان یکی از محبوب‌ترین تکنولوژی‌ها برای حرفه‌ای‌هاست. پرینترهای رزینی SLA از لیزر برای سخت‌کردن رزین مایع به پلاستیک استفاده می‌کنند، فرآیندی که به نام فوتوپلیمریزاسیون شناخته می‌شود.

قطعات پرینت‌شده با SLA بالاترین دقت و وضوح را در میان تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی پلاستیکی دارند و سطح صاف‌تری ارائه می‌دهند که به‌راحتی قابل رنگ‌آمیزی است.

قطعات SLA دارای لبه‌های تیز، سطح صاف و خطوط لایه‌ای کم‌نمایان هستند که برای مدل‌های ارائه با جزئیات بالا ایده‌آل‌اند.

پرینترهای SLA به دلیل مواد چاپ سریع مانند رزین Draft، سریع‌ترین فرآیند پرینت سه بعدی را برای اکثر قطعات ارائه می‌دهند. درحالی‌که پرینترهای رومیزی SLA ظرفیت ساخت فشرده‌تری دارند، با پرینترهای بزرگ‌فرمت مانند Form 3L، معماران و مدل‌سازان می‌توانند مدل‌های واقعاً بزرگ‌مقیاسی بسازند.

مدل‌سازی ذوب‌شونده (FDM)

مدل‌سازی ذوب‌شونده، که با نام ساخت لایه‌ای فیلامنت (FFF) نیز شناخته می‌شود، رایج‌ترین نوع پرینت سه بعدی در سطح مصرفی است، که با ظهور پرینترهای سه بعدی خانگی تقویت شده است.
FDM دارای کمترین وضوح و دقت در میان چهار فرآیند پرینت سه بعدی است و برای چاپ طراحی‌های پیچیده یا قطعات با ویژگی‌های دقیق مناسب نیست. این فناوری برای مدل‌های طراحی مفهومی ساده که در مراحل اولیه طراحی تولید می‌شوند، ایده‌آل است.

سینترینگ لیزری انتخابی (SLS)

سینترینگ لیزری انتخابی رایج‌ترین تکنولوژی ساخت افزودنی برای کاربردهای صنعتی است. پرینترهای SLS از لیزر قدرتمند برای جوش‌دادن ذرات کوچک پودر پلیمر استفاده می‌کنند. پودرهای جوش‌نخورده از قطعه در حین چاپ پشتیبانی می‌کنند و نیازی به ساختارهای پشتیبان اختصاصی نیست.

چاپ SLS برای طراحی‌های پیچیده و ویژگی‌های داخلی، دیواره‌های نازک و جزئیات منفی ایده‌آل است. قطعات SLS دارای ویژگی‌های مکانیکی عالی هستند.

چاپ جت بایندر (Binder Jetting)

تکنولوژی چاپ جت بایندر شبیه به چاپ SLS است، اما به‌جای استفاده از حرارت، از یک عامل چسباننده رنگی برای اتصال مواد پودر سنگ استفاده می‌کند. پرینترهای جت بایندر می‌توانند مدل‌های معماری سه بعدی تمام‌رنگی و واضح تولید کنند.

قطعات تولید شده با جت بایندر دارای سطح متخلخل و بسیار شکننده هستند و این فرآیند فقط برای کاربردهای استاتیک توصیه می‌شود.

مقایسه پرینترهای سه بعدی برای ساخت ماکت معماری

SLA	FDM	SLS	جت بایندر
وضوح	★★★★★	★★☆☆☆	★★★★☆
دقت	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
پایان سطح	★★★★★	★★☆☆☆	★★★★☆
استفاده آسان	★★★★★	★★★★★	★★★★☆
طراحی‌های پیچیده	★★★★☆	★★★☆☆	★★★★★
حجم ساخت	حداکثر 300x335x200 mm	حداکثر 300x300x600 mm	حداکثر 165x165x300 mm
محدوده قیمت	از 3,500 دلار	از چند صد دلار تا 15,000 دلار	از 18,500 دلار

نحوه ساخت ماکت معماری با پرینت سه بعدی

یک تیم از مؤسسه معماری در Hochschule Mainz – دانشگاه علوم کاربردی، شهرهای تاریخی آلمان از جمله Worms، Speyer و Mainz را با استفاده از مدل‌های بزرگ پرینت سه بعدی بازسازی کرده است.

امروزه اکثر معماران از نرم‌افزارهای CAD معماری مانند BIM (ArchiCAD و Revit)، Rhino 3D یا SketchUp برای ایجاد طرح‌های دیجیتال استفاده می‌کنندولی این فایل‌های دیجیتال همیشه نمی‌توانند به‌صورت مستقیم برای ساخت مدل‌های فیزیکی مقیاس‌دار با پرینت سه بعدی استفاده شوند.

انتقال موفقیت‌آمیز مدل CAD به فایل قابل پرینت نیاز به درک ابتدایی از طراحی برای پرینت سه بعدی، و ارتباط محدودیت‌های مدل‌سازی سنتی با آماده‌سازی فایل برای پرینت سه بعدی دارد. همچنین باید با استراتژی‌های هوشمندانه مدل‌سازی آشنا بود؛ از انتخاب مقیاس مناسب گرفته تا طراحی برای مونتاژ و پردازش‌های پس از چاپ.

1) استراتژی مدل‌سازی

مدل‌های معماری به‌صورت سنتی از ترکیبی مواد و اجزا ساخته می‌شوند. پرینترهای سه بعدی کمک می‌کنند تا این اجزا تا حد ممکن در چند بخش محدود ادغام شوند، اما به دو دلیل هنوز نیاز به مونتاژ وجود دارد:

1. محدودیت در حجم ساخت: مگر در صورتی که از یک پرینتر سه بعدی بزرگ مانند Form 3L استفاده کنید، ممکن است مجبور شوید مدل را به چند بخش تقسیم کنید تا در حجم ساخت پرینتر جای بگیرد.
2. نیاز به نمایش جزئیات داخلی یا مواد: برخی مدل‌ها نیاز به اجزایی دارند که قابل جداسازی باشند تا اطلاعات بیشتری درباره طرح ارائه شود.

اندازه و هندسه اجزای مختلف در مدل معماری هنگام آماده‌سازی برای پرینت سه بعدی بسیار مهم است. به‌طور کلی، مدل‌های بزرگ، مدل‌های چندبخشی و مدل‌هایی با جزئیات پیچیده به اجزای قابل پرینت تقسیم می‌شوند. سپس این قطعات به‌راحتی با استفاده از چسب شیمیایی یا مونتاژ مکانیکی به یکدیگر متصل می‌شوند؛ دقت بالای پرینت‌ها با فناوری‌هایی مانند SLA و SLS اطمینان می‌دهد که قطعات به‌طور بی‌نقص به هم متصل می‌شوند.

برای بهترین نتیجه، باید از استراتژی‌های مدل‌سازی مناسب برای مونتاژ استفاده کرد، از جمله:

• تقسیم مدل‌ها بر اساس درز: تقسیم مدل‌ها یا اجزا بر اساس درزها، اجزایی قابل مدیریت‌تر ایجاد می‌کند که پس از چاپ به‌راحتی مونتاژ می‌شوند. ساده‌ترین روش برای تقسیم یک مدل، استفاده از برش مستقیم است. روش دیگر این است که ویژگی‌هایی به طراحی اضافه کنید که باعث شوند قطعات به‌طور خودکار هم‌تراز شوند.
• تقسیم مدل‌ها بر اساس اجزا: برخی مدل‌ها را بهتر است بر اساس اجزای ساختاری‌شان تقسیم یا به مجموعه‌ای از قطعات کوچک‌تر تفکیک کرد. این اجزا را جداگانه چاپ کرده و سپس با استفاده از ویژگی‌های همترازی مونتاژ کنید، یا یک جزء از کل ساختمان را جدا از بقیه چاپ کنید.

2) جریان کار نرم‌افزار

پیشرفت‌های تکنولوژی CAD به‌طور چشمگیری فرآیند توسعه فایل‌های قابل پرینت سه بعدی را ساده کرده است. پلتفرم‌های مدرن CAD دارای ماژول‌های اختصاصی برای پرینت سه بعدی هستند که به معماران کمک می‌کنند یک طراحی CAD را به یک مدل قابل پرینت تبدیل کنند. با این حال، به‌خاطر داشته باشید که هنوز در مقیاس ۱:۱ کار می‌کنید – چند تبدیل سریع برای دستیابی به ابعاد صحیح در مقیاس چاپ لازم است.

توسعه مدل‌های معماری با توجه به پلتفرم CAD مورد استفاده نیازمند چند نکته است. این ملاحظات مختص هر CAD شامل موارد زیر است:

1. جریان کاری BIM: توسعه مدل‌های قابل پرینت سه بعدی با نرم‌افزار BIM که از مدل‌سازی پارامتریک مانند Autodesk Revit یا Graphisoft ArchiCAD استفاده می‌کند، نیاز به مدیریت اجزا دارد. اجزایی مانند سیستم‌های HVAC، شیشه‌های دوجداره و داکت‌ها در پرینت‌های سه بعدی قابل انتقال نیستند و باید حذف شوند، در حالی که سایر قسمت‌ها مانند درها، پنجره‌ها، دیوارها و سقف‌ها نیاز به ضخیم‌تر شدن دارند.
2. جریان کاری مدل‌سازی سطحی: این جریان کاری معمولاً رویکردی آسان‌تر است و از طراحی‌های دو بعدی صرفاً با هدف پرینت سه بعدی شروع می‌شود. این فرآیند شامل خروجی گرفتن از یک طرح ساده‌شده، کاهش مقیاس آن، و سپس اکسترود و برش تا رسیدن به یک پوسته خارجی است.

پرینت و پس‌پردازش مدل‌های معماری

مرحله بعدی در پرینت سه بعدی ماکت معماری، تبدیل مدل سه بعدی دیجیتال به زبانی است که پرینتر سه بعدی آن را درک کند. برای انجام این کار، از نرم‌افزارهای برش (slicing) یا آماده‌سازی چاپ مانند PreForm استفاده می‌شود. چه مبتدی باشید و چه با تجربه، کار با این نرم‌افزارها عموماً آسان و شهودی است. نرم‌افزار به شما جزئیاتی مانند دیوارهایی که نیاز به تقویت دارند، مناطق بدون تکیه‌گاه و حجم‌های بسته که بر ساختار چاپ سه بعدی تأثیر می‌گذارند را نشان می‌دهد که قبل از چاپ می‌توان آن‌ها را رفع کرد. همچنین می‌توانید تنظیماتی مانند رزولوشن، موقعیت پلتفرم ساخت و ساختارهای پشتیبانی را بهینه کنید.

مواد نقشی مهم در انتقال مفهوم اصلی طراحی ایفا می‌کنند. همیشه لازم نیست که دقیقاً رنگ و بافت مواد را شبیه‌سازی کنید، اما تفکیک بین مواد مختلف می‌تواند کمک کند. تقسیم مدل بر اساس اجزا این امکان را فراهم می‌کند که ویژگی‌های مواد به نمایش گذاشته شوند، زیرا قطعات می‌توانند با استفاده از مواد مختلف چاپ سه بعدی ساخته شوند یا به‌صورت جداگانه با رنگ‌های مختلف رنگ‌آمیزی شوند.

پس‌پردازش بسته به فناوری چاپ سه بعدی خاص شما متفاوت است، اما به‌طور کلی شامل سمباده‌کاری، چسباندن و رنگ‌آمیزی مدل‌ها می‌شود.

در اینجا یک بررسی کلی بر اساس فرآیندهای مختلف پرینت سه بعدی آورده شده است:

تکنیک پس‌پردازش	SLA	FDM	SLS	بایندر جت
سمباده‌کاری	سمباده‌کاری سبک برای حذف نشانه‌های تکیه‌گاه توصیه می‌شود.	به دلیل کیفیت پایین‌تر چاپ‌های FDM، سمباده‌کاری برای رسیدن به سطح صاف لازم است.	به دلیل کیفیت بالای قطعات نیازی به سمباده‌کاری نیست.	نیازی به سمباده‌کاری نیست.
چسباندن	قطعات SLA با چسب یا رزین‌های مایع چسبانده می‌شوند.	قطعات FDM را می‌توان با چسب‌هایی مونتاژ کرد.	قطعات SLS را می‌توان با چسب‌هایی مانند چسب فوق‌العاده مونتاژ کرد.	قطعات چاپ‌شده با بایندر جتینگ را می‌توان با چسب چسباند.
آماده‌سازی و رنگ‌آمیزی	قطعات SLA را می‌توان برای رسیدن به ظاهر دلخواه رنگ‌آمیزی کرد.	قطعات FDM را می‌توان برای رسیدن به ظاهر دلخواه رنگ‌آمیزی کرد.	قطعات SLS را می‌توان برای رسیدن به ظاهر دلخواه رنگ‌آمیزی کرد.	برای قطعات رنگی تمام‌شده نیازی به رنگ‌آمیزی نیست.

نتیجه‌گیری

پرینت سه بعدی مدل‌های معماری به معماران و طراحان این امکان را می‌دهد که ایده‌های خود را از فضای دیجیتال به دنیای فیزیکی منتقل کنند و به مشتریان و ذینفعان دیدی ملموس از پروژه‌های آینده ارائه دهند. استفاده از نرم‌افزارهای CAD و ماژول‌های پرینت سه بعدی، به معماران کمک می‌کند تا فایل‌های CAD خود را به‌راحتی به مدل‌های فیزیکی تبدیل کنند. انتخاب استراتژی‌های مناسب برای تقسیم‌بندی مدل‌ها و آماده‌سازی فایل‌ها برای چاپ، به‌ویژه در مواجهه با محدودیت‌های حجم ساخت و نمایش جزئیات داخلی، اهمیت ویژه‌ای دارد.

در کنار آن، انتخاب مواد مناسب و استفاده از تکنیک‌های پس‌پردازش مانند سمباده‌کاری، چسباندن و رنگ‌آمیزی، به بهبود کیفیت و واقع‌گرایی مدل‌ها کمک می‌کند. فناوری‌های پیشرفته مانند SLA و SLS، دقت و کیفیت بسیار بالایی ارائه می‌دهند و به معماران اجازه می‌دهند که مدل‌هایی با جزئیات پیچیده و اندازه‌های مختلف بسازند. با استفاده از این فناوری‌ها و استراتژی‌های مدل‌سازی، می‌توان فرآیند طراحی را تسریع کرد و نتایجی دقیق، حرفه‌ای و جذاب به دست آورد که تجربه مشتری را ارتقاء داده و روند تصمیم‌گیری را تسهیل می‌کند.

پرینت سه بعدی نه تنها به عنوان یک ابزار نمایش طراحی، بلکه به عنوان یک فرصت برای آزمایش طرح‌ها در مراحل مختلف، در حال تبدیل شدن به یک استاندارد جدید در حوزه معماری است. از ابزارهای ساده CAD گرفته تا پرینترهای پیشرفته SLA و SLS، پرینت سه بعدی به معماران این امکان را می‌دهد که به شکل کارآمدتر و با کیفیت بالاتر به ساخت ماکت‌های فیزیکی بپردازند و پیچیدگی‌های طراحی خود را به‌خوبی به نمایش بگذارند.