In 3D ứng dụng trong xây dựng

Với khả năng làm chủ từ vật liệu, chế tạo máy và quy trình in 3D, các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã tạo ra những công trình xây dựng có thiết kế nghệ thuật trong thời gian nhanh chóng, tiết kiệm nhân lực hơn so với phương pháp thi công truyền thống.

Khắc phục “gót chân Achilles” của vật liệu bê tông in 3D

Với những bức tường có hình dáng như vết cắt gọt trên viên kim cương, căn nhà nhỏ ở Thủ Đức do các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Bách khoa TP.HCM xây dựng vào tháng 4/2022 nhanh chóng thu hút sự chú ý của người qua đường. Việc thi công các chi tiết phức như vậy chắc hẳn sẽ tốn rất nhiều thời gian? Tuy nhiên, chia sẻ của nhóm tác giả khiến chúng ta không khỏi bất ngờ: “Thực ra, chúng tôi chỉ mất khoảng 68 tiếng là xong phần xây dựng thô, còn lại làm mái và cửa là xong”, PGS.TS Trần Văn Miền (trường Đại học Bách Khoa TP.HCM) giới thiệu trong hội thảo do Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN (CESTI), thuộc Sở KH&CN TP.HCM tổ chức vào năm 2023.

Họ có thể hoàn thiện ngôi nhà trong thời gian ngắn như vậy là nhờ công nghệ in 3D. Về bản chất, công nghệ in 3D sử dụng các vật liệu để chế tạo mô hình 3D bằng phương pháp đắp chồng từng lớp vật liệu, trái ngược với công nghệ cắt gọt truyền thống trước đây. Nó cho phép các nhà thiết kế tạo ra các chi tiết phức tạp với trong thời gian ngắn và tốn ít chi phí hơn so với các phương pháp khác. Do đó, các ứng dụng của công nghệ in 3D ngày càng “phủ sóng” rộng rãi, từ lĩnh vực hàng không, vũ trụ cho đến xây dựng, kiến trúc, giáo dục, y tế, nghệ thuật và thời trang.

Những ưu điểm này càng thể hiện rõ nét trong lĩnh vực xây dựng. “Công nghệ in 3D giúp tối ưu hóa thời gian thi công, chi phí xây dựng, linh hoạt trong thiết kế kiến trúc lẫn kết cấu, tiết kiệm nhân lực, cải thiện điều kiện làm việc an toàn hơn, đặc biệt là loại bỏ đáng kể chất thải vật liệu do không cần dùng ván khuôn trong quá trình thi công”, PGS.TS. Trần Văn Miền phân tích. Dù còn khá mới ở Việt Nam song trên thế giới, không ít công trình đã được xây dựng bằng phương pháp này.

Các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã kịp thời bắt nhịp với xu hướng này. Họ bắt đầu với những nghiên cứu về vật liệu bê tông dùng trong in 3D vào năm 2019. Tại sao nhóm nghiên cứu lại lựa chọn xuất phát điểm từ vật liệu thay vì thiết bị máy in? “Một trong những hạn chế lớn nhất của việc ứng dụng in 3D trong xây dựng là sự thiếu liên kết bám dính giữa các lớp bê tông, nguyên nhân chủ yếu do bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp bê tông in bị khô và xuất hiện lỗ rỗng trên bề mặt lớp in bê tông, làm ảnh hưởng đến tính chất cơ học”, PGS.TS Trần Văn Miền giải thích.

Thông qua việc tìm hiểu các tài liệu kết hợp với nhiều thử nghiệm, họ đã khắc phục được “gót chân Achilles” của bê tông in 3D. Bí quyết nằm ở việc sử dụng các loại hồ xi măng tạo thành một lớp trung gian giữa các lớp bê tông để tăng cường độ bám dính và giảm thiểu lỗ rỗng, tương tự với cách tiếp cận của một số nghiên cứu trên thế giới. “Trong các loại hồ xi măng mà chúng tôi thử nghiệm, loại dùng phụ gia Sikament R7N với tỉ lệ nước/xi măng 0,52 giúp cải thiện độ bám dính giữa các lớp in tốt hơn”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo trên tạp chí Vật liệu và Xây dựng vào năm 2021.

Song song với bài toán về độ bám dính, nhóm nghiên cứu còn tìm ra công thức vật liệu bê tông tối ưu. Trong hình dung của họ, hỗn hợp này phải có khả năng chảy tốt để đảm bảo cho việc bơm và đùn ép các sợi bê tông liên tục không có khoảng trống, không bị biến dạng về kích thước thông qua vòi phun. Các sợi bê tông này có khả năng duy trì hình dạng tốt và liên kết với nhau để tạo thành từng lớp. Nhưng khi lớp in đã hoàn thành cần chuyển nhanh thành dạng rắn có tính kết dính cao và khả năng chống đỡ tốt để không bị biến dạng hoặc sụp đổ bởi chính trọng lượng của bản thân và trọng lượng của các lớp tiếp theo được xếp chồng gây ra. Sau nhiều lần điều chỉnh, họ nhận thấy, việc sử dụng các liệu trong nước để chế tạo các loại bê tông in 3D dùng cho nhiều mục đích khác nhau là điều hoàn toàn khả thi. Cụ thể, hỗn hợp bê tông có tỉ lệ cốt liệu/chất kết dính bằng 2 sẽ phù hợp để chế tạo tường công trình xây dựng, còn bằng 1 hoặc 1,5 sẽ phù hợp để chế tạo sản phẩm trang trí.

Chế tạo “từ A đến Z”

Việc tìm ra vật liệu phù hợp để in bê tông 3D chỉ là bước đầu tiên để biến công trình xây dựng in 3D thành hiện thực. “Mục tiêu của chúng tôi là làm chủ được toàn bộ các bước, bao gồm cả chế tạo máy in, thiết kế lập file in và quy trình in”, PGS.TS Trần Văn Miền cho biết. Nhờ đó, các sản phẩm của nhóm nghiên cứu không chỉ tiết kiệm chi phí so với hàng nhập khẩu mà còn phù hợp với điều kiện ứng dụng ở Việt Nam.

Với định hướng tận dụng hết những gì đang có trong tay, họ đã bắt tay làm chiếc máy in 3D đầu tiên từ một ý tưởng rất “cây nhà lá vườn”. “Thiết bị ban đầu của chúng tôi khá thô sơ, với ý tưởng ban đầu là kiếm một cái gì đó có thể đùn ra thành sợi vật liệu. Vậy nên chúng tôi đã dùng một cái máy xay/ép đùn chả cá ở ngoài chợ”, PGS.TS Trần Văn Miền kể lại. Nguyên lý của chiếc máy này khá giống in 3D, khác biệt lớn nhất nằm ở phương đùn vật liệu. Máy xay chả cá đùn theo phương ngang còn máy in 3D ép đùn theo phương đứng. Do vậy, họ phải điều chỉnh lại hệ trục đùn theo phương đứng.

Tương tự, nhóm nghiên cứu cũng phải dùng một số thủ thuật trong quá trình thiết lập file in. “Để có bản vẽ 3D phục vụ quá trình in, chúng ta có thể dùng một số chương trình mã nguồn mở để chuyển từ file 3D sang file in. Tuy nhiên, đa phần các mã nguồn mở có sẵn hiện nay dùng cho vật liệu in nhựa, kích thước của vật thể in và đầu in rất nhỏ. Do vậy, chúng tôi đã phải có một số thủ thuật để vận dụng mã nguồn mở cho sẵn”, anh cho biết.

Những nỗ lực đầy sáng tạo đã giúp các nhà nghiên cứu phát triển thành công một máy in cỡ lớn từ chiếc máy thô sơ ban đầu. “Có thể nói, đây là một trong những máy in 3D lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực xây dựng ở Việt Nam”, PGS.TS Trần Văn Miền hào hứng. “Nó có thể in một công trình có bề rộng 10m, chiều dài thì vô cùng, vì chúng tôi thiết lập máy in chạy theo hệ thống đường ray, nếu muốn in dài bao nhiêu thì lắp đường ray dài bấy nhiêu”. Để ứng dụng linh hoạt ở nhiều nơi, họ đã thiết kế máy theo dạng tháo rời, khi cần thi công ở đâu thì sẽ mang máy in tới lắp và in tại chỗ.

Những công trình đầu tiên được nhóm nghiên cứu xây dựng bằng công nghệ in 3D đã chứng minh hiệu quả của các công cụ này. Công trình thứ nhất có quy mô rộng 5 m, dài 14 m và cao 4 m được hoàn thành trong vòng 68 giờ; công trình thứ hai có quy mô rộng 8,5 m, dài 15 m và cao 3,8 m được hoàn thành trong vòng 192 giờ. “Quá trình xây dựng chỉ cần ba người, kỹ thuật viên vận hành máy, hai người làm công tác kiểm tra hệ thống trộn bê tông cho đạt để bơm lên hệ thống máy in 3D nên tiết kiệm khá nhiều công sức và chi phí so với phương pháp thi công truyền thống”, anh cho biết.

Những thành công bước đầu đã giúp nhóm nghiên cứu thêm tự tin theo đuổi con đường này. Tuy nhiên, họ cũng nhận thấy “công nghệ in bê tông 3D ở Việt Nam còn rất mới”, theo PGS.TS Trần Văn Miền. “Chúng ta cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để góp phần xây dựng tiêu chuẩn về vật liệu và quy trình nghiệm thu”.