1983 yılında ilk 3B (Üç Boyutlu) yazıcının icat edilmesinin ardından 3B Baskı Teknolojisi son yıllarda en hızlı büyüyen ve gelişen teknolojilerden biri haline gelmiştir. İcat edildiği ilk zamanlarda hem daha pahalı hem de daha karmaşık bir yapıya sahipken, yıllar içerisinde günlük yaşamda bile kullanılabilir bir hal almıştır. Yazıcılar, endüstrinin her türlü alanında, özellikle tıp, otomotiv ve havacılık sektöründe başarıyla kullanılmıştır. Açık kaynaklı sistemler sayesinde özellikle yeni bir ürünün prototipinin yapılması aşamasında kullanılmaya başlanmıştır. Kullanılan baskı malzemelerinin ve yazıcıların da geliştirilmesiyle inşaat sektöründe 2014 yılında bir devrim gerçekleşmiştir. Bu tarihte 3B yazıcı ile ilk mimari yapının basılması gerçekleşmiş ve bina yapım teknolojisinde yeni bir çağ başlamıştır.
3B baskının temel çalışma prensibi, bilgisayar ortamında modellenmiş üç boyutlu nesnenin katmanlara bölünerek, her katmanda eritilen hammaddenin dökülüp üst üste gelecek şekilde oluşturulması işlemidir. Bu işlemi gerçekleştiren cihazlara 3B Yazıcı adı verilmektedir.
3B YAZICILARIN İNŞAAT SEKTÖRÜNDE KULLANILMASI
3B yazıcıların ticari uygulaması 1980’lerde hızlı prototipleme şeklinde başlamıştır ve bu teknoloji inşaat endüstrisine girmeden önce çok yol kat etmiştir. Havacılık, savunma ve otomotiv sanayi 3B baskıyı en yaygın olarak kullanan endüstrilerdir. Ancak inşaat sektöründe kullanımı bu sektörlere nazaran çok daha yenidir ve bu konuda çok az akademik çalışma ve araştırma yapılmıştır.
Bir öğrenci projesi olarak beton malzeme ile baskı sistemlerinden ilk kez bahseden yayın, Joseph Pegna tarafından 1977 yılında basılmıştır. Bu yayın, kum/çimento karışımı oluşturma tekniğine odaklanmıştır; ancak hiçbir zaman gerçekleştirilememiştir [1]. KuaShang Tengda, WinSun ve Apis Cor gibi firmalar da bu inşaat yönteminden ilham alarak çeşitli mimari yapıların 3B yazıcılar ile oluşturulmasını sağlamıştır.
Bu alanda yapılan ilk çalışmalardan bazıları:
• “Canal House”, ilk tam ölçekli 3B inşaat projesidir.
Resim: Canal House binası [2]
• 3B teknolojisini kullanılarak inşa edilen ilk konut binası, 298,5 m² alana sahip Rusya’da bulunan “Yaroslavl” konut projesidir.
Resim: Yaroslavl konut projesi [3]
• Institute of Advanced Architecture Catalonia, dünyanın ilk 3B baskı ile oluşturulan yaya köprüsünün tasarım ve yapımını üstlenmiştir.
• 3D Printhuset tarafından Kopenhag’da Avrupa’da resmi düzenlemelere uygun ilk ofis-otel binası inşa edilmiştir.
• MX3D adlı şirket, destek yapılarına ihtiyaç duymadan metal malzeme kullanarak havada asılı duran bir köprü oluşturmak için 3B baskı teknolojisi ile çalışmıştır.
Resim: MX3D Köprüsü [4]
• Çin’de bulunan Huazhong University of Science and Technology’deki araştırmacılar, üç boyutlu tarama ve çimento harcı bazlı 3B yazıcı teknolojisinin bir birleşimini geliştirmiş ve tarihi bir bina süsleme bileşenini çoğaltmak için kullanılmıştır [2, 3, 4, 5].
Yapıda Kullanılan Yazıcılar
Bu bölümde, inşaat sektöründe büyük elemanlardan bütün bir binaya kadar yazdırabilen 3B yazıcılardan bahsedilecektir. Her bir yazıcı farklı zamanlarda, farklı alanlarda denemeler yaparak bu sektörün gelişmesine katkıda bulunmuştur. Bu yazıcılar hem kullandıkları teknoloji hem de baskı için kullandıkları malzemeler açısından farklılık göstermektedir. Bu alanda şimdiye kadar kullanılan dört farklı yazıcı incelenecektir. Bu dört yazıcının yazdırma aşamaları aslında iki teknolojiden oluşmaktadır. Birincisi, baskı malzemesinin bir veya daha fazla nozulden doğrudan dökülmesini sağlayan sistemdir. Kamer Maker, Contour Crafting ve Win Sun sistemleri bu teknoloji ile yazdırmaktadır. İkinci yazdırma şekli ise düzgün bir yatay katmanın granül malzemeden (kum) oluşturulmasıdır. Sonrasında bu katman üzerine bağlayıcı olması için sıvı püskürtülmektedir; bu aşamada katılaşma işlemi gerçekleşirken, fazla kum, yapı içine gömülmemiş destek olarak işlev görmektedir. Sürecin sonunda, bu fazlalık kaldırılarak gelecekteki binalarda tekrar kullanılabilmektedir. Bu sistemi D-Shape yazıcısı kullanmaktadır [6].
D-Shape: Enrico Dini tarafından 2007 yılında icat edilmiştir. Dünyada ezilmiş dolomit kireçtaşını sağlam bir malzemeye çevirerek yapımı sağlayan, inşaat sektöründeki ilk üç boyutlu yazıcı olduğu belirtilmektedir. Sistem, toz parçacıklarının lazer ışını kullanılarak bağlandığı Lazer Sinterleme metoduna benzer şekilde toz esaslı malzeme kullanmaktadır. D-Shape yazıcının şu anki sürümü 6 metreye 6 metrelik alüminyum bir çerçeveye oturmaktadır. Çerçeve, belirli bir uzunluğu tekrar tekrar hareket ettirmek ve daha sonra her bir kiriş üzerinde yukarı doğru hareket etmesini sağlayan motorlar vasıtasıyla baskı işlemini gerçekleştirmektedir. 300 nozulden oluşan bir yazıcı kafasına sahiptir. Yazıcı kafası tabana, kafaya dik çalışan alüminyum bir ışınla bağlanmaktadır. Yapı, alüminyum olduğu için oldukça hafiftir ve kolayca taşınabilmektedir. Böylece birkaç saat içerisinde iki işçi tarafında alanda monte edilebilmektedir. Sistem, kum ve inorganik bağlayıcılar kullanarak basım işlemini gerçekleştirmektedir [4, 6, 7].
Resim: D- Shape [8]
Contour Crafting: Contour Crafting, Southern California Üniversitesi Bilgi Teknolojileri Enstitüsü’nde Behrokh Khoshnevis tarafından ortaya konulmuştur. Daha az el emeği ile hızlı ve verimli bir yapı oluşturmak için bilgisayar kontrollü bir vinç veya makas kullanan bina baskı teknolojisidir. Başlangıçta endüstriyel parçalar için kalıp inşa etmek amacıyla tasarlanmıştır. Khoshnevis, doğal afetler sonrası hızlı bir şekilde bina inşa etmenin bir yolu olarak sistemi yeniden düzenlemeye karar vermiştir. Binanın duvarları katman katman oluşmaktadır. Malzeme olarak beton benzeri bir karışım kullanmaktadır. Donatı olarak cam veya karbon fiber ile denemeler yapılmaktadır [7, 9].
Resim: Contour Crafting [10]
Kamer Maker: KamerMaker, dünyanın ilk portatif 3B Baskı makinası olarak lanse edilmiştir. KamerMaker (RoomBuilder) odaları üç boyutlu olarak basabilmektedir. 3B baskı teknolojisi, büyütülmüş bir “Ultimaker” baskı makinesine dayanmaktadır. Ultimaker, PLA (mısırdan üretilen biyo-plastikler)’yı kullanarak 3B nesneler basabilmektedir. Gelişmiş versiyonu olan KamerMaker ise 2,0 m (genişlik) x 2,0 m (uzunluk) x 3,5 m (yükseklik) boyutlarına kadar küçük odalar yazdırabilmektedir.
Canal House, DUS mimarları tarafından geliştirilen ve tüm iç mekanları 2 x 2 x 3,5 metre boyutlarına sahip büyük, taşınabilir bir 3B yazıcı olan KamerMaker (RoomMaker) ile basılmıştır. Her bir oda ayrı ayrı basılarak inşaat alanında bir araya getirilmektedir. Sistem, termoplastik malzeme kullanılarak baskı işlemini gerçekleştirmektedir. Şu anda, yüzde 80’i bitkisel yağ olan bir biyoplastik; Macromelt’i kullanmıştır. İçi boş elemanlar baskı makinası ile yazdırılmaktadır; katılaşınca beton ile doldurulabilmektedir [2, 6].
Resim: Kamer MakerContour Crafting [2]
Win Sun: Win Sun şirketinin 3B baskı sektörüne girmesi, ilk ve halen yaygın olarak kullanılan 3B yazıcının temel bileşenlerinden biri olan püskürtme başlığını (sprey nozul) icat etmesiyle 2005 yılında başlamıştır. Püskürtme başlığı, çimento ve diğer gelişmiş malzemelerle deney yapmak için kullanılmıştır. Malzeme mühendisi olan Başkan ve Kurucu Ma Yihe tarafından yönlendirilen şirket, sonuçları iyileştirmek, malzeme toplama ve çıktı kontrolünü sağlamak için teknolojiyi ve malzeme kompozisyonunu geliştirmeye devam etmiştir.
Win Sun, dünyanın en büyük 3 boyutlu inşaat yazıcısını geliştirmiştir. Bu yazıcı 10 metre genişliğinde, 6,6 metre yüksekliğinde ve 150 metre uzunluğunda baskı alabilmektedir. 2013 yılında, malzeme ve tecrübe konusundaki uzmanlığı sayesinde Win Sun, ilk kez bir konut evi ile 3B baskı işini gerçekleştirmiştir. Teknik, özel bir katkı maddesi ile çimento, kum ve elyaftan yapılmış özel bir malzeme kullanmaktadır. Şirket, prefabrik konut imalatı gibi fabrikada duvarları basmaktadır ve binayı sahada monte etmektedir. Temel süreç, müşterinin tasarımıyla başlar (Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) 3B modeli şeklinde). Püskürtme başlığı, malzeme katmanını tabaka halinde ekler, her tabaka istenen şekil ve büyüklükteki duvar tamamlanana kadar basım işlemini gerçekleştirmektedir. Duvarlar 0.6 ila 3 santimetre kalınlığı arasında olabilmektedir. Basımı tamamlanmış duvar parçaları şantiyeye taşınarak geleneksel temellere monte edilmektedir. Yapılar bölgesel yapı düzenlemelerine uygun olarak geleneksel çelik yapılar veya çimento ile güçlendirilmektedir. Boyanmamış duvarlar daha sonra müşteri tercihlerine göre çeşitli fitingler veya son katlarla desteklenebilmektedir. Malzeme olarak geri dönüştürülmüş inşaat atıklarından (yani kum, beton, cam elyafı), endüstriyel atıklardan ve tortudan oluşturulan bir aglomerat kullanılmıştır [11].
Yapıda Kullanılan Malzemeler
Beton malzeme ile 3B baskı yapılabilmesi için malzemenin çeşitli şartları yerine getiriyor olması gerekmektedir. Kullanılacak beton özel bir karışım olmak zorundadır. Beton karışımı bir macun gibi akıcı olmalı ve nozulden çıktıktan sonra hızlıca sertleşebilmelidir. Yazdırma işlemi sırasında sertleşmemelidir, aksi takdirde nozulün tıkanmasına sebep olacaktır. Betonun fiziksel özellikleri değişmeden karıştırıcıdan nozule doğru ilerleyerek katmanları oluşturması gerekmektedir. Freek Bos tarafından ortaya konulan çökmeyen beton (zero slump concrete) sayesinde bu malzeme karışımı katmanlar halinde üst üste konulabilmektedir. Betonun donma süresinin ayarlanabilmesi için bazı kimyasallar katılmaktadır. Kullanılan kimyasal katkı maddeleri, içerisindeki su miktarını azaltan, hava geçişini sağlayan, ya da su miktarını geciktirip hızlandırmaya sebep olmaktadır. Eğer mimari detaylar fazla ise yazıcının hızının da buna göre ayarlanması gerekmektedir [12].
Canal House’da kullanılan “Fused Deposition Modeling” teknolojisinin basılacak malzemeyi geliştirmesi gerektirmekteydi. Bu teknoloji için uygun malzeme bulmak, 3B baskı ile projeler inşa etmede en büyük zorluk olmaya devam etmiştir. Hollanda projesinde Henkel tarafından geliştirilen termoplastik biyo bazlı bir malzeme kullanılmıştır. Bununla birlikte Henkel, basılan parçaların basınç dayanımını artırmak için Canal House Projesi’nin sonraki aşamalarında kullanılabilecek yeni geliştirilmiş eko-beton ile bazı testler uygulamaktadır. Projenin bu aşaması için, bir araya getirilmesi kolay, içindeki petek şeklinde boşluklarla birlikte bina bileşenleri, hava sirkülasyonu ve binanın yalıtımını sağlayan özel hafif beton ile doldurulacak şekilde tasarlanmıştır [2].
Çin WinSun projesinde stereolitografi baskıda endüstriyel atık, cam elyafı, çimento ve sertleştirmeyi sağlayan bir malzeme karışımı kullanılmıştır. Geliştirilen bu malzeme, sıradan 3B baskı teknolojisinde olduğu gibi yapı bileşenlerini katman katman oluşturabilmeye izin vermiştir. İstenilen karışımın tabakalara kolayca yerleştirilebilmesi için maksimum işlenebilirliğe ve maksimum akışkanlığa sahip olması gerekmektedir. Katmanlar aynı anda sıradaki katmanlarla bağlanmayı sağlamak zorundadır. Sıkıştırma dayanımı gerektiğinden, uygun akışkanlık korunurken, su içeriği de en aza indirilmelidir. Sıvı haldeki malzeme bir sonraki katman döşenmeden önce sertleşmek zorundadır. Mühendisler, yazıcının nozulünden dışarı pompalanacak kadar idare edilebilecek ve betonarme kadar güçlü olacak, hızlı ayarlı beton için en iyi karışımı bulmak adına testler ve denemeler yapmaya devam etmektedir [19]. Contour Crafting basılacak ürünlerin yüzey kalitesini etkilemeden beton karışımını donatı olarak cam veya karbon fiber ile test etmektedir [7, 9].
D-Shape 3B yazıcının mucidi Dini, 2009 yılında çevreye zarar vermeyen ve nispeten daha ucuz bir hammadde arayışı sonucunda ağırlıklı olarak kum, oksit ve deniz suyundan elde edilen kloritleri kullanmıştır ve bu konuda patent almıştır [13].
Yapı bileşenlerinin 3B baskısı için olası malzeme çözümleri için çeşitli kompozit malzemeler denenmektedir. Bunlardan bir tanesinin de kükürtlü beton olduğu savunulmaktadır. Karışım, kükürtün erime noktasının üstünde ısıtılır. 1400C’ye soğuduktan sonra normal beton gibi uzun süre kürlenmeden istenilen mukavemete ulaşmaktadır. Sülfürlü beton potansiyel bir yapı malzemesi olarak kabul edilebilmektedir [4].
SONUÇ
İnşaat sektöründe, 3B baskıda betonu bu sürece uyarlayabilmek için çeşitli kurum ve üniversiteler sürekli çalışmalar yapmaktadır. Araştırmalara dayanarak betonun 3B yazıcılarda kullanılmasının güvenli ve çevre dostu olduğu görülmektedir. 3B baskı teknolojisi farklı alanlarda ve çok sayıda uygulamaya sahiptir. Daha ileri düzeyde uygulanabilme olasılığı her zaman bulunmaktadır. Bu yazıcılarla basılabilecekler sadece hayal gücümüzle sınırlıdır. İnşaat sektöründe 3B yazıcıların kullanılabilmesinin en büyük avantajı hızlı üretimdir. Özellikle konut sıkıntısı çekilen ülkelerde, afet sonrasında barınma ihtiyacı için, geleneksel yöntemlerle üretilemeyecek geometriye sahip binaların üretiminde ve hatta dünya dışında yaşam formu oluşturabilmek için 3B yazıcılar kullanılacaktır.
KAYNAKLAR
1. Pegna, J., “Exploratory Investigation of Solid Freeform Construction”, Automation in Construction, Vol. 5, Issue 5, Pages 427-437, 1997.
2. İnternet: Canal House “3dprintcanalhouse”, https://3dprintcanalhouse.com, 2019.
3. T. Anjum, P. Dongre, F. Misbah, and V. P. S. N. Nanyam, “Purview of 3DP in the Indian Built Environment Sector,” Procedia Eng., vol. 196, no. November, pp. 228–235, 2017.4
4. Nadarajah, N., “Development of Concrete 3D Printing”, Master Thesis, Aalto University School of Engineering Building Technology, Finland, 2018.
5. Houcai, L., Jianhua, M., Haitao, L., “A Review of Three Dimensional Printing Technology and Its Application”, Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, Vol. 9, 2008.
6. Oberti, I., Plantamura, F., “Is 3d Printed House Sustainable?”, International Conference on Future Buildings and Districts, Lausanne, EPFL Solar Energy and Building Physics Laboratory, Pages 173-178, 2015.
7. Tay, Y. W. D., Panda, B., Paul, S., Tan, M.J., Qian, S., Leong, K. F., Chua, C., (2016). “Processing and Properties of Construction Materials for 3D Printing”, Materials Science Forum 861, Pages 177-81, 2016.
8. İnternet: D-Shape, “The Vision”, https://d-shape.com/the-vision/, 2019.
9. Khoshnevis, B., “Automated Construction by Contour Crafting Related Robotics andİnformation Technologies”, Automation in Construction, Vol.13, Issue 1, Pages 5-19, 2004.
10. İnternet: Contour Crafting, “Introducing Contour Crafting Technology”, http://contourcrafting.com/, 2019.
11. Winsun: “Demonstrating the Viability of 3D Printing at Construction Scale”, World Economic Forum, https://futureofconstruction.org › case › download
12. Freek B., Rob W., Zeeshan A., Theo S., “Additive Manufacturing of Concrete in Construction: Potentials and Challenges of 3D Concrete Printing”, Virtual and Physical Prototyping, Vol. 11, Issue 3, Pages 209-225, 2016. DOI: 10.1080/17452759.2016.1209867
13. Gardiner, J., “Exploring The Emerging Design Territory Of Construction 3D Printing - Project Led Architectural Research”, Architecture and Design, RMIT University, 2011.
Sorumlu Yazar: Seval ÖZGEL FELEK
Ordu Üniversitesi, Ünye MYO, Mimarlık ve Şehir Planlama Bölümü
sevalozgelfelek@odu.edu.tr
12 Temmuz 2021
Türkiye'nin en ESKİ ve en çok ZİYARET EDİLEN şantiyesi: ŞANTİYE®...
İnşaata dair "KAYDADEĞER" ne varsa... 1988'den bu yana...
Şantiye®nin ürettiği, derlediği ve yayınladığı içeriklerde öncelik “KAMUSAL YARAR”dır...
Ve yayınlanan içeriğin “ÖZEL” olmasına özen gösterilir...
BASILI DERGİ + E-DERGİ + SANTİYE.COM.TR + SOSYAL MEDYA + DİJİTAL PLATFORMLAR...
İnşaat sektörünün buluşma noktası Şantiye®, “Güven”i temsil eden “Basılı bir Yayın” olma özelliğinin yanı sıra yenilenen web sitesi, Turkcell Dergilik ve Türk Telekom E-Dergi gibi mobil uygulamalardaki varlığı, 42 bin E-Bülten abonesi ve 85 bin sosyal medya takipçisi-bağlantısıyla inşaat sektörünün en önemli iletişim platformlarından biri olmaya her ortamda devam ediyor... 1988'den bu yana...
Şantiye® ayrıca yapı sektörüne "Şantiye'nin Yıldızı Ödülü", "Yılın Yeşil Yapı Malzemesi / Teknolojisi Ödülü" ve "Şantiyeden Kareler Fotoğraf Yarışması" gibi farklı organizasyonlarla da katkı sunuyor.
Şantiye®nin son sayısı da dahil 1988 yılından bugüne kadar yayınlanan TÜM SAYILARINA E-Dergi olarak göz atmak için lütfen tıklayın...
Şantiye®, başta ABONELERİ olmak üzere 2020-2024 yıllarında ilan veren firmalar ABS Yapı, Akyapı, Alumil, Anadolu Motor (Honda), Alkur, Ak-İzo, Altensis, Arbiogaz, Aremas, Arfen, Assan Panel, Asteknik, Atos, Batıçim, Baumit, Betek, Betonblock, Borusan CAT, Bosch Termoteknik, Bostik, BTM, Buderus, Bureau Veritas, Çimsa, Çuhadaroğlu, Çukurova Isı, Duyar Vana, DYO, Efectis ERA, Ekomaxi, Elkon, Emülzer, Eryap, Filli Boya, Fixa, Fullboard, Form Endüstri Ürünleri, Form Endüstri Tesisleri, Form MHI (Mitsubishi Heavy Industries) Klima, Garanti Leasing, GF Hakan Plastik, Gökçe Brülör, Grundfos, Hilti, IQ Alüminyum (by Deceuninck), İNKA, İntek, İpragaz, İstanbul Teknik, İzocam, İzoser, Kalekim, Knauf, Knauf Insulation, Komatsu, Köster, Kuzu Grup, LG, Marubeni, Masdaf, Master Builders Solutions, MBI Braas, Meiller Kipper (Doğuş Otomotiv), Messe Frankfurt, Messe München/Agora Tur., Mekon, Mitsubishi Chemical, Nalburdayim.com, NETCAD, ODE, Ökotek, Özler Kalıp, Özpor, Panasonic, PERI, Pimakina, Polyfibers, Polyfin, Prometeon, Ravago, Rehau, Saint Gobain Türkiye, Saray Alüminyum, Schüco, Selena (Tytan), Sentez Mekanik, Serge Ferrari, Shell, Siemens, Sistem İnşaat, Soudal, Sika, Şişecam, Temsa, TMS, Tekno Yapı, Türk Ytong, Tremco illbruck, Vaillant, Vekon, Wermut, Wilo ve Xylem’in değerli katkılarıyla hazırlanmaktadır.
ABONE OLMAK İÇİN
Bir yıllık abonelik bedelimiz olan 1200 TL (6 Sayı, KDV Dahil)'yi TR70 0001 0008 5291 9602 1550 01 IBAN no’lu hesabımıza (Ekosistem Medya) yatırıp; ardından dekontu, açık adresinizi ve fatura bilgilerinizi (şahıs ise TC kimlik no; firma ise vergi dairesi-numarası) santiye@santiye.com.tr adresine e-posta veya 0532 516 03 29 no’lu telefona WhatsApp / SMS aracılığıyla ulaştırabilirsiniz.
