التصنيع بالإضافة
ما الذي يعيق تقدم البناء المطبوع ثلاثيًا؟
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
مؤخرًا، ظهرت فكرة استخدام مبادئ الطباعة ثلاثية الأبعاد لبناء المنازل، بطريقة مشابهة للطريقة التي تُطبع بها الأجزاء الميكانيكية باللدن أو المعدن. بدلاً من الأساليب التي تتطلب جهدًا يدويًا مثل بناء الطوب، يمكن لآلة طباعة ثلاثية الأبعاد مؤتمتة أن تُركّب جدرانًا من الخرسانة بسرعة.
المصدر: Cornell University
غالبًا ما يُقدَّم هذا على أنه مستقبل السكن والبناء. لكن في الواقع، لا تزال المباني المطبوعة ثلاثيًا مجرد فضول إلى حد ما وبعيدة عن أن تصبح معيارًا ناشئًا في مجال البناء.
حدَّد دراسة جديدة أجراها باحثون في الكلية البريطانية للدراسات التطبيقية (سريلانكا)، ومعهد الهند للعلوم، وجامعة جنوب كوينزلاند (أستراليا)، وجامعة نورثمبرلاند (المملكة المتحدة) العائق المتبقي أمام تبني هذه التقنية على نطاق أوسع.
وجدوا أن الخرسانة المتقدمة المصممة خصيصًا للطباعة ثلاثية الأبعاد أمر مهم، وأن تجزّؤ الأنظمة التنظيمية هو العائق الأكبر أمام النشر التجاري على نطاق واسع.
نشروا نتائجهم في Next Materials1، تحت العنوان “الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء: مراجعة شاملة للمواد والطرق والتطبيقات ومعايير الأداء SAFE”
البناء ثلاثي الأبعاد: من النموذج الأولي إلى النطاق التجاري
حتى الآن، ركّزت معظم المراجعات لاستخدام التصنيع الإضافي (“الطباعة ثلاثية الأبعاد”) في البناء على المواد أو الخصائص الميكانيكية. لكن ذلك يتجاهل الخصائص الأوسع المتعلقة بالملاءمة السكنية والسلامة التي تحكم الموافقة التنظيمية وقبول القاطنين.
لذلك، فإن تقييمًا أفضل هو استخدام إطار معايير الأداء SAFE:
- (S) مؤشرات الأداء الهيكلي.
- (A) الصوتيات.
- (F) مقاومة الحريق.
- (E) كفاءة الطاقة.
“يتماشى هذا المنظور متعدد المخاطر مع اتجاه المعايير الناشئة ISO وEN وASTM لتقنيات البناء الجديدة”
المصدر: Next Materials
للقيام بذلك، جمع الباحثون الأدبيات العلمية التي تغطي تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء وربطوها في عمليات بحث ثانوية مع كل معيار من معايير الأداء SAFE.
هذه مجموعة أبحاث تتوسع بسرعة، حيث يشهد كل عام زيادة في الأبحاث المنجزة في هذا المجال.
المصدر: Next Materials
إلى جانب البحث الأكاديمي، تتعدد مشاريع الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق البناء، وإن كانت لا تزال في أعداد تجريبية صغيرة. الدول الرائدة هي الولايات المتحدة الأمريكية والصين (أكثر من 30 مشروعًا)، تليها دول أوروبية (فرنسا، ألمانيا، هولندا)، والإمارات العربية المتحدة، واليابان، وأستراليا.
المصدر: Next Materials
العديد من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة
على الرغم من مناقشتها غالبًا كمجموعة موحدة من التقنية، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء هي في الواقع مجموعة متنوعة من التقنيات، كل منها يستخدم طرق بثق ومواد مختلفة.
الأكثر شيوعًا هي أنظمة البثق، التي تهيمن على التصنيع الإضافي على نطاق البناء. يتم بثق خليط إسمنتي قابل للضخ عبر فوهة مثبتة إما على إطار ثابت (“عربة كارتيسية”) أو على ذراع روبوتية متعددة المحاور. يضيف تقنية “Contour crafting” تشطيبًا سطحيًا عبر جناح مسطح مثبت بجانب الفوهة.
المصدر: Next Materials
طريقة أخرى هي أنظمة السرير الحبيبي، مشابهة لسرير الحبيبات في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن. يتيح ذلك البناء دون هياكل دعم مخصصة، حيث يوفر الحبيبة السائبة الدعم اللازم.
المصدر: Next Materials
التالي هو الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة القابلة للحقن، حيث يُحقن مادة إسمنتية سائلة في وسط دعم مُصمم خصيصًا (مادة سائلة أو شبيهة بالهلام)، بدلاً من ترسيبها طبقة بط layer في الهواء. يتيح ذلك استخدام خلطات عالية السيولة مع تحسين قابلية الضخ وتقليل متطلبات ضغط البثق.
أخيرًا، توجد طرق بناء ثلاثية الأبعاد هجينة، على سبيل المثال، باستخدام روبوتات إضافية لإدخال حديد التسليح أو الطباعة متعددة المواد.
المصدر: Next Materials
كل من هذه التقنيات واعدة، لكن القليل فقط منها جاهز فعليًا للنشر على نطاق واسع. بشكل عام، الأنظمة القائمة على الأسمنت أكثر جاهزية، لأنها يمكن أن تبني على سلسلة الإمداد والخبرة القائمة في صناعة البناء.
المصدر: Next Materials
في المقابل، مواد أخرى مثل الجيوبوليمرات، مركبات الطين، أو مركبات القنب مع الجير واعدة من حيث البصمة البيئية أو الجفاف السريع، لكنها لا تزال في مراحل تجريبية فقط. قد تكون هذه المواد أيضًا بعيدة عن المثالية في إطار SAFE، مما يتطلب معالجات إضافية.
“قيد أساسي من حيث أداء الحريق هو قابلية الاحتراق ومعدل إطلاق الحرارة العالي لمعظم اللدائن الحرارية، مما يستلزم طلاءات مضادة للهب أو بوليمرات مقاومة للحريق بطبيعتها مثل PEEK”
تقييم SAFE للإنشاءات ثلاثية الأبعاد
الأداء الهيكلي
يكشف الأداء الهيكلي للهياكل المبنية بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أنه، على عكس الطرق التقليدية، يوجد أداء مختلف تمامًا يعتمد على نوع إجهاد الهيكل.
“على عكس الخرسانة المصبوبة، تُظهر الخرسانة المطبوعة ثلاثيًا (3DPC) أنيزوتروبيّة داخلية ناتجة عن الترسيب الطبقي، تتجلى كخصائص ميكانيكية تعتمد على الاتجاه وطائرات ضعف بين الطبقات.”
المصدر: Next Materials
هذا يفرض حدًا صعبًا على السرعة والارتفاع الأقصى للبناء. لهذا السبب، يبدو أن الجمع بين تعزيز القضبان الفولاذية والمواد النانوية يمثل النهج الأكثر فاعلية لتحقيق الليونة والقوة الشدية المتوافقة مع الكود في العناصر المطبوعة.
معيار آخر للأداء الهيكلي هو المتانة، حيث يُتوقع أن تدوم مباني الخرسانة لعقود دون ضعف كبير. تُشكل الطباعة ثلاثية الأبعاد خطرًا أكبر في إدخال الفجوات الهوائية والمسامية مقارنةً بالإنشاءات الخرسانية التقليدية.
“تميل واجهات الطبقات بين الطبقات إلى احتواء فراغات أعلى وزيادة نفاذية الغازات مقارنةً بالمناطق الكتلية، مما يثير مخاوف بشأن التآكل الناجم عن الكربنة، وتسلل الكلوريد، وحساسية التجمد والذوبان.”
يمكن استخدام عدة طرق لمعالجة هذه المشكلة:
- تصميم مزيج كثيف، يقلل المسامية.
- مواد عازلة للسطح في ظروف التعرض العدوانية.
- مواد إسمنتية مكملة (مثل رماد السيليكا أو الميتاكولين) لتقليل اتصال المسام.
الأداء الصوتي
معيار مهم للمستخدمين المستقبليين للمبنى، يعتبر انتقال الصوت مهمًا في القواعد مثل EN ISO 16283. لكن تم تحديد أقل من 20 منشورًا مخصصًا في البحث المنهجي الأدبي الذي يتناول هذا السؤال، مما يوضح وجود فجوة نسبية بين تطوير طرق البناء ثلاثية الأبعاد والقواعد الإنشائية الواقعية.
يبدو أن خرسانة القنب-الليمون أو الماركرات الأقل سمكًا من أسمنت بورتلاندي عادي (OPC) تؤدي أداءً أقل بكثير من الطرق التقليدية.
المصدر: Next Materials
بعض الخيارات المقترحة لحل المشكلة تشمل ألواح صوتية حيوية كطبقات حشو مطبوعة، طباعة تجاويف رنانة دورية مستوحاة من المواد الميتاميتية الصوتية، أو هندسات خلية رباعية عشرية الشكل وقنوات متاهة، لكن جميعها قد تزيد من تعقيد مهمة الطباعة.
مقاومة الحريق
قد يكون هذا المعيار ضربة مميتة للطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البوليمرات. فهي ليست أكثر قابلية للاشتعال فحسب، بل إن سمية الدخان غير مفهومة جيدًا.
“يظهر PLA المطبع ثلاثيًا غير المعدل اشتعالًا سريعًا وإطلاق حرارة مستمر تحت تدفق حراري إشعاعي، يتجاوز بكثير الحدود المسموح بها للتطبيقات الهيكلية دون تركيبة مضادة للهب، أو طلاءات انتفاخية، أو بدائل مملوءة بالسيراميك.”
مع ذلك، باستثناء المكونات المطبوعة ثلاثيًا القائمة على البوليمرات، تؤدي طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد الأخرى أداءً ملحوظًا في مقاومة الحريق، بما في ذلك مقارنةً بالخرسانة فائقة الأداء (UHPC).
المصدر: Next Materials
المشكلة الحقيقية الوحيدة قد تكون في العناصر المطبوعة ذات الأقسام المجوفة، التي يمكن أن تزيد من القابلية للتعرض للحريق. يمكن ملء الأقسام المجوفة بخرسانة عازلة خفيفة الوزن، صوف معدني، أو رغوة انتفاخية لاستعادة مقاومة الحريق إلى تصنيف مقبول.
الكفاءة الطاقية
تظهر الأدبيات الحالية أن المباني المطبوعة ثلاثيًا تتفوق على UHPC من حيث العزل الحراري، وحتى تتجاوز بشكل كبير القيم المطلوبة لتجميعات الجدران الموفرة للطاقة وفقًا للمعيار EN 12524 لبعض المواد مثل مزيج القنب-الليمون، التي تلبي حتى المتطلبات الحرارية الوطنية النموذجية.
المصدر: Next Materials
مع تقليل استهلاك المواد بنسبة 35–60٪ للعناصر الهيكلية المطبوعة ثلاثيًا مقارنةً بالبناء التقليدي المصبوب في الموقع، فإن الطريقة أكثر كفاءة في المادة والطاقة أثناء الإنشاء.
ومع ذلك، يضيف عملية الطباعة طلبات طاقة إضافية من أنظمة الضواغط، ومحركات الروبوتات، ومعدات التسخين، مما يقلل الفوائد الصافية لدورة الحياة بنسبة 10–25٪ حسب مزيج الطاقة وسرعة الطباعة.
بالإضافة إلى ذلك، يقلل الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة المُحسّنة باستخدام الركام المعاد تدويره انبعاثات الكربون على مدى دورة الحياة حتى 53.1٪ مقارنةً بالبناء التقليدي بالقوالب.
مستقبل البناء ثلاثي الأبعاد
حتى الآن، تعد المساكن السكنية، وخاصة المنازل الفردية، هي الأنسب لمستوى نضج التكنولوجيا الحالي في البناء ثلاثي الأبعاد باستخدام الخرسانة أو المواد المجاورة. كما تُعد الأعمال البنية التحتية وتطبيقات الإغاثة في حالات الكوارث قريبة نسبياً.
العقبة الأكبر أمام نشر الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع في قطاع البناء هي نقص المعايير الموحدة، والقوانين، والأطر التنظيمية. وبما أن التقنية تتواجد في مجموعة واسعة من التقنيات الفرعية والمواد، فإن تقييم الأداء المستقبلي مسبقاً من حيث الراحة، والسلامة، وسلامة الهيكل يصبح صعباً.
لهذا السبب يعتبر مؤلفو الدراسة أن برنامج معايير منسق ومتعدد الأطراف يستهدف جميع المجالات الأربعة لنظام SAFE ضروري بشكل عاجل.
تتفاقم هذه الحاجة خصوصاً فيما يتعلق بالأداء الصوتي، حيث نادرًا ما تم دراسة هذا الموضوع.
إلى جانب تحسين تحديد معايير البناء، ينبغي على الصناعة أيضاً التوجه في عدة اتجاهات أخرى:
- الطباعة متعددة المواد, التي تُعد الطريق الأكثر وعداً لتحقيق جميع معايير SAFE الأربعة في آنٍ واحد ضمن تجميع جدار واحد. لكن التحكم في عملية استخراج المواد المتعددة لا يزال غير ناضج وسيتطلب مزيداً من البحث والتطوير.
- دمج الاقتصاد الدائري على مستوى تصميم الخلطة، وهو يتقدم بسرعة، لاستخدام استبدال 100٪ من النواتج الثانوية الصناعية.
- التنبؤ بكفاءة الطاقة في مرحلة تصميم المبنى، مما قد يشكل حجة تجارية قوية.
الاستثمار في البناء المطبوع ثلاثي الأبعاد
CEMEX
CEMEX هي شركة مكسيكية متعددة الجنسيات للمواد البنائية تتمتع بحضور قوي في جميع أنحاء الأمريكتين. تأسست عام 1906، وتطورت لتصبح واحدة من أكبر شركات المواد البنائية في العالم، حيث تصنّع وتوزّع الأسمنت، والخرسانة الجاهزة، والركام، وحلول التوسع الحضري، وقد شاركت بشكل بارز في إنشاء Torres Rise، وهو أعلى ناطحة سحاب في أمريكا اللاتينية بارتفاع 484 مترًا (1,588 قدم).
المصدر: CEMEX
النشاط الأساسي لشركة CEMEX هو إنتاج الأسمنت والخرسانة الجاهزة، مع الولايات المتحدة الأمريكية والمكسيك كسوقين رئيسيين. كما تُعد منطقة أوروبا والشرق الأوسط وأفريقيا (EMEA) مهمة أيضاً، بينما تكون بقية أمريكا اللاتينية وجزر الكاريبي أقل أهمية.
المصدر: CEMEX
من خلال قوتها في الأسمنت التقليدي، تستعد CEMEX أيضًا لإمكانات البناء المطبوع ثلاثيًا. وقد قامت بالاستثمار في شركة تصنيع طابعات البناء COBOD، الرائدة في المباني المطبوعة ثلاثيًا.
“بالعمل مع COBOD، طورت CEMEX تجربة عميل في بناء الطباعة ثلاثية الأبعاد تتفوق على أي شيء تم تقديمه في الماضي. جهودنا الابتكارية تضعنا في طليعة التقنيات الجديدة التي تسهم في بناء مستقبل أفضل.”
غونزالو جاليندو، رئيس CEMEX Ventures
قامت كل من COBOD و CEMEX أيضًا بتطوير D.fab بشكل مشترك، وهي عائلة من الخلطات المملوكة، تمكّن الخرسانة من اكتساب الشكل فورًا.
هذا يجعل CEMEX خيارًا للمستثمرين للحصول على تعرض لسوق الأسهم من خلال بورصة مدعومة وقوة شركة متعددة المليارات بدلاً من شركة ناشئة في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد ذات مخاطر أعلى. على المدى الطويل، من الممكن أيضًا أن تصبح تقنية البناء بالطباعة ثلاثية الأبعاد سلعةً، لكن الخلطات الخاصة المملوكة، المعتمدة من قبل الأنظمة، ستظل الجزء القيم في سلسلة الإمداد.
بالطبع، يعني هذا أيضًا أن عوائد سهم الشركة ستكون مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بكفاءة عمليات أعمالها الرئيسية، وهو ما يرغب المستثمرون في فهمه بعمق.
CX مخطط السعر
أحدث أخبار وتطورات سهم CEMEX (CX)
الدراسة المشار إليها
1. Kajeenthan Kamalaseelan. الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء: مراجعة شاملة للمواد، والأساليب، والتطبيقات، ومعايير أداء SAFE. Next Materials. أكتوبر 2026. المقال: 103494. المجلد 13. 10.1016/j.nxmate.2026.103494
