Bài viết Ứng dụng công nghệ trong xây dựng - tổng quan về công nghệ in bê tông 3D giới thiệu các công nghệ in bê tông 3D và so sánh tính khả thi của các công nghệ này ứng dụng trong ngành xây dựng Việt Nam.
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRONG XÂY DỰNG - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN BÊ TÔNG 3D ThS Lưu Quang Phương Khoa Xây dựng, Trường Đại học Thành Đông Email: luuquangphuong@icloud.com TĨM TẮT Ngành xây dựng khơng ngừng tìm kiếm cách thức để nâng cao hiệu quả, nhiều công nghệ ứng dụng Tuy nhiên, phương pháp xây dựng truyền thống không thay đổi nhiều thập kỷ qua, làm cho trình xây dựng kéo dài, không tối ưu nguồn lực dẫn đến giảm hiệu đầu tư xây dựng Công nghệ in 3D công nghệ đầy hứa hẹn góp phần nâng cao hiệu đầu tư xây dựng hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu bê tông cơng nghệ cho phép sản xuất cấu kiện kiến trúc, xây dựng mà không cần sử dụng ván khn, giúp mang lại nhiều lợi ích so với phương pháp truyền thống Trong công nghệ in 3D áp dụng thành công loạt lĩnh vực y tế, giáo dục, hàng không vũ trụ, tơ v.v., ứng dụng cơng nghệ ngành xây dựng giai đoạn đầu Trong vài năm qua, nhiều loại công nghệ in bê tông 3D khác phát triển ứng dụng Từ khóa: Sản xuất bồi đắp; Cơng nghệ in bê tông 3D; Xây dựng ABSTRACT The construction industry is constantly looking for new ways to improve project efficiency and profitability, many new technologies has been being researched and applied in construction investment projects However, traditional building methods have remained relatively unchanged for decades 3D concrete printing (3DCP) is a promising new technology that has the potential to not only be an effective means of increasing project efficiency and profitability in the field, but also have positive environmental impacts 3D concrete printing technology can allow construction without the use of formwork, which offers more benefits than the conventional method While 3D printing techniques have been successfully applied in a wide range of fields such as aerospace and automotive, its application in concrete construction industry is still in its infancy Over the past few years, various 3D concrete printing technologies have been developed Key word: Additive manufacturing; 3D concrete printing technology; Construction GIỚI THIỆU lao động tình trạng an toàn lao động đáng quan ngại, Những thách thức ngành xây phương pháp thi công xây dựng vật dựng tốc độ xây dựng liệu xây dựng khơng thân thiện chậm, q trình thi cơng xây dựng gồm với mơi trường Tồn q trình xây nhiều bước, bước tốn nhiều thời dựng, bao gồm sản xuất chế tạo sẵn, vận gian công sức, công nghệ thi công chuyển vật liệu, thi công xây dựng sử dụng nhiều nhân cơng cơng trường thải lượng lớn khí nhà kính tiêu thụ lượng lớn lượng, gây nhiễm mơi trường Do vấn đề đặt phải áp dụng công nghệ tiên tiến ngành xây dựng, cơng nghệ in bê tông 3D cho thấy ưu điểm rõ rệt giúp tiết kiệm thời gian, vật liệu, nhân công cách giảm hao hụt vật liệu, hạn chế khơng sử dụng ván khn từ giúp giảm chi phí Ngồi ra, cơng nghệ hạn chế việc chép, giúp nhà thiết kế làm cho cơng trình trở có tính chất riêng so với cơng trình khác Kể từ phát bê tông đại vào kỷ 19, nhiều nhà nghiên cứu tìm cách tự động hóa việc xây dựng sử dụng vật liệu bê tông Nhiều công nghệ xây dựng sử dụng vật liệu bê tông phát triển, công nghệ bơm bê tông công nghệ phụ gia Một nỗ lực lớn gần ngành xây dựng dựa ý tưởng kỹ thuật sản xuất bồi đắp Sản xuất bồi đắp định nghĩa quy trình ghép lớp vật liệu để tạo vật thể từ liệu mơ hình số 3D, trái ngược với phương pháp sản xuất trừ (như điêu khắc) Trong bật công nghệ in 3D sử dụng vật liệu bê tông Hiện việc áp dụng công nghệ in bê tông 3D ngành xây dựng gặp nhiều rào cản định nhiều hạn chế mặt cơng nghệ, chi phí đầu tư chất lượng sản phẩm chế tạo công nghệ Tuy nhiên, với phát triển khoa học công nghệ, việc áp dụng tiến khoa học công nghệ ngành xây dựng tất yếu Trong đó, việc áp dụng cơng nghệ in bê tơng 3D xây dựng giải vấn đề nan giải ngành xây dựng Bài báo giới thiệu công nghệ in bê tông 3D so sánh tính khả thi cơng nghệ ứng dụng ngành xây dựng Việt Nam Công nghệ in bê tơng 3D đề cập đến quy trình sản xuất bồi đắp tự động, đối tượng in tạo cách liên kết lớp vật liệu chồng lên Quá trình bắt đầu với việc tạo mơ hình 3D phần mềm CAD (Computer Aided Design) Mơ hình sau nhập vào máy in bê tơng 3D định dạng tệp STL (Stereolithography Language) định dạng tệp phổ biến nay, từ mơ hình chia thành lớp liên kết với để tạo thành đối tượng in 3D Trong năm gần đây, công nghệ in bê tông 3D nhận nhiều ý từ ngành xây dựng phương pháp thi công xây dựng đầy triển vọng Công nghệ in bê tông 3D TỔNG QUAN Ứng dụng công nghệ in bê tông 3D ngành xây dựng để chế tạo cấu kiện kiến trúc, xây dựng Mặc dù việc ứng dụng công nghệ in bê tơng 3D cịn giai đoạn đầu, nhiên nỗ lực nhằm đưa công nghệ ứng dụng có hiệu ngành xây dựng thực toàn giới Công nghệ in bê tông 3D công nghệ mới, nhằm mục đích giảm thiểu thời gian trình xây dựng cách loại bỏ số quy trình tốn thời gian phương pháp truyền thống, giảm chi phí thơng qua việc giảm thiểu khối lượng phát sinh, giảm nhân công lao động, đồng thời dễ dàng tạo cấu kiện có hình dạng phức tạp với độ xác cao mà khó thực phương pháp truyền thống, cải thiện tác động tiêu cực ngành xây dựng lên mơi trường Cơng nghệ in bê tơng 3D có khả chế tạo cấu kiện kiến trúc, xây dựng thiết kế trước cách liên kết lớp vật liệu chồng lên theo quy tắc định tông 3D việc sản xuất cấu kiện xây dựng quy mơ lớn đánh giá lợi ích công nghệ so với công nghệ xây dựng truyền thống [2] Các nghiên cứu việc chế tạo, kiểm định vật liệu in cấu kiện in thực nhiều năm qua, đánh giá sửa đổi chất lượng in, độ ổn định hình dạng hỗn hợp vật liệu in [3], sử dụng vật liệu in khác để chế tạo kiểm tra khả tạo cấu kiện có cấu trúc phức tạp cường độ sản phẩm chế tạo công nghệ in bê tông 3D [4], nghiên cứu tối ưu hóa vật liệu máy in chế tạo cấu kiện phù hợp để ứng dụng quy mơ nhỏ, qua chứng minh cơng nghệ in bê tông 3D không công cụ đầy hứa hẹn cho thiết kế kết cấu, mà cịn cơng cụ tiềm cho thiết kế kiến trúc [5] Phát triển phương pháp để tạo cấu kiện dựa geopolyme sử dụng máy in 3D sử dụng kỹ thuật lắng đọng bột có bán thị trường cho ứng dụng xây dựng [6] Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ in bê tơng 3D ngành xây dựng cịn nhiều vấn đề nan giải Các nghiên cứu giới số rào cản vấn đề khả làm việc cấu kiện sản xuất công nghệ in bê tông 3D nhiều hạn chế khả chịu lực so với phương pháp sản xuất cấu kiện bê tơng truyền thống tính đến thời điểm Những thách thức thương mại hóa cơng nghệ in bê tông 3D thiếu tiêu chuẩn, chi phí đầu tư lớn, cấu kiện chế tạo chưa đảm bảo chất lượng Tuy nhiên lợi ích công nghệ ngành xây dựng to lớn hạn chế hao hụt vật liệu, giảm đáng kể nhân công, đồng thời giảm thời gian thi công xây dựng Nhiều nghiên cứu đề cập đến khả áp dụng công nghệ in bê tông 3D xây dựng việc áp dụng công nghệ Contour Crafting thi công xây dựng khẳng định công nghệ Contour Crafting số cơng nghệ khả thi áp dụng ngành xây dựng [1] S Lim cộng sử dụng cơng nghệ in bê Nhìn chung, nghiên cứu số phạm vi áp dụng, lợi ích, khả áp dụng rào cản công nghệ in bê tông 3D ngành xây dựng giới CÁC CÔNG NGHỆ IN BÊ TƠNG 3D Trong năm qua, nhiều cơng nghệ in bê tông 3D khác phát triển để ứng dụng ngành xây dựng Những công nghệ in bê tông 3D chủ yếu dựa hai kỹ thuật chính, kỹ thuật ép đùn (Extrusion-Based Technique) kỹ thuật lắng đọng bột vượt trội so với vật liệu sử dụng công nghệ Contour Crafting [2] (Powder-Based Technique) 3.1 Công nghệ in bê tông 3D dựa kỹ thuật ép đùn * Công nghệ Concrete On-Site 3D Printing Công nghệ in bê tông 3D dựa kỹ thuật ép đùn tương tự phương pháp nóng chảy lắng đọng FDM (Fused Deposition Modelling) Theo đó, vật liệu in qua từ đầu in gắn cần trục cánh tay robot để in đối tượng theo lớp vật liệu Các công nghệ in bê tông 3D dựa kỹ thuật tiêu biểu như: Công nghệ Contour Crafting Concrete Printing ưu điểm so với cơng nghệ truyền thống tồn số hạn chế cần thiết phải sử dụng máy móc tiên tiến, kích thước cốt liệu nhỏ (thường sử dụng vữa tổng hợp thay bê tơng thơng thường) kích thước hạn chế sản phẩm in (tức kích thước máy in 3D phải lớn kích thước phần tử in) Để khắc phục hạn chế này, công nghệ công nghệ Concrete On-Site 3D Printing, phát triển TU Dresden, Đức Ưu điểm cơng nghệ tính linh hoạt hình học cao phụ thuộc vào nhân cơng lành nghề [7] * Công nghệ Contour Crafting Contour Crafting phương pháp quy trình sản xuất nhiều lớp sử dụng polymer, bùn gốm, bê tông, loạt vật liệu hỗn hợp khác để xây dựng vật thể quy mô lớn với bề mặt mịn Những ưu điểm cơng nghệ tốc độ chế tạo nhanh khả tích hợp với phương pháp khác để lắp đặt phận đường ống, dây điện cốt thép Công nghệ Contour Crafting cho sản phẩm có bề mặt hồn thiện vượt trội tốc độ sản xuất tăng cường đáng kể Một ưu điểm công nghệ in bê tông 3D chỗ không phát triển quy trình xây dựng tiên tiến hiệu thời gian, lao động tài nguyên mà làm cho quy trình có hiệu kinh tế đạt chấp nhận rộng rãi ngành xây dựng Điều đạt cách sử dụng kỹ thuật sản xuất xây dựng có nhiều tốt cách điều chỉnh quy trình với hạn chế cơng trường xây dựng [7] * Công nghệ Concrete Printing Công nghệ Concrete Printing nghiên cứu phát triển Đại học Loughborough Vương quốc Anh Công nghệ sử dụng kỹ thuật dựa ép đùn mức độ tương tự cơng nghệ Contour Crafting Tuy nhiên, công nghệ Concrete Printing phát triển cho phép kiểm soát tốt cấu trúc sản phẩm in Ngoài ra, vật liệu sử dụng in bê tông bê tông cốt liệu sợi tổng hợp cường độ cao nên tính chất vật liệu * Công nghệ in bê tông 3D quy mô lớn sử dụng bê tông cường độ cao (Large-Scale 3DCP using Ultra-High Performance Concrete) Qua việc nghiên cứu hạn chế công nghệ Contour Crafting công nghệ Concrete Printing đề cập trên, cơng nghệ nhóm nghiên cứu Pháp giới thiệu với quy mô áp dụng lớn, sử dụng bê tông cường độ cao (UHPC) Công nghệ phát triển dựa kỹ thuật ép đùn để in bê tông cường độ cao theo lớp thông qua đầu in đùn gắn cánh tay robot Ưu điểm cơng nghệ cho phép sản xuất cấu kiện với hình dạng phức tạp với quy mô lớn mà không cần ván khuôn [8] hỗn hợp xi măng cách lắng đọng tác nhân liên kết * Công nghệ in bê tông 3D dựa kỹ thuật lắng đọng bột sử dụng Geopolymer (Powder-based 3DCP using Geopolymer) Công nghệ in bê tông 3D dựa kỹ thuật lắng đọng bột sử dụng Geopolymer có khả sản xuất cấu kiện xây dựng với chi tiết hình dạng phức tạp Cơng nghệ dựa lắng đọng bột có tiềm để sản xuất cấu kiện xây dựng với độ bền cao tốc độ hợp lý để đáp ứng nhu cầu sản xuất quy mô công nghiệp [10] 3.2 Công nghệ in bê tông 3D dựa kỹ thuật lắng đọng bột (Powder-based Technique) Công nghệ in bê tông 3D dựa kỹ thuật lắng đọng bột quy trình chế tạo cộng điển hình khác tạo cấu kiện với hình học phức tạp cách lắng đọng chất lỏng kết dính cách chọn lọc Kỹ thuật quy trình ngồi cơng trường thiết kế để sản xuất cấu kiện đúc sẵn Một số công nghệ in bê tông 3D dựa kỹ thuật lắng đọng bột liệt kê KẾT LUẬN Ưu điểm cơng nghệ in ba chiều sản phẩm tạo có kết cấu chắn có nhược điểm cơng nghệ tốn nhiều công sức rắc rối Công nghệ Contour Crafting Concrete Printing dựa kỹ thuật ép đùn, điều làm cho chúng giống nhau, lợi công nghệ Contour Crafting so với công nghệ Concrete Printing độ mịn bề mặt sản phẩm, nhiên sản phẩm sản xuất công nghệ Concrete Printing có kết cấu chắn so với công nghệ Contour Crafting, sản phẩm sản xuất cơng nghệ Concrete Printing lại có kích thước hạn chế * Công nghệ in ba chiều (D-Shape) Công nghệ D-Shape phát triển Enrico Dini sử dụng kỹ thuật dựa kỹ thuật lắng đọng bột để làm cứng lớp vật liệu quy mô lớn Xi măng cát magiê oxychloride (còn gọi xi măng Sorel) sử dụng làm vật liệu xây dựng chất kết dính tương ứng [9] Dựa phân tích trên, cơng nghệ in bê tơng 3D công nghệ nổi, khả ứng dụng xây dựng hạn chế, đặc biệt quy mô sản xuất chỗ cơng trường, với phát triển nhanh chóng cơng nghệ này, việc in cấu kiện bê tông quy mô lớn thành * Công nghệ đối tượng (Emerging Objects) Công nghệ đối tượng (Emerging Objects) phát triển Hoa Kỳ sử dụng kỹ thuật lắng đọng bột để làm cứng có chọn lọc công thức thực tương lai gần TÀI LIỆU TRÍCH DẪN [1] P Sharma, "Automated Construction by Contour Crafting," Journal of advance research in mechanical & civil engineering, 2015 [2] S Lim, R A Buswell, T T Le, S A Austin, A G F Gibb and T Thorpe, "Developments in construction-scale additive manufacturing processes," Automation in construction, vol 21, pp 262-268, 2012 [3] A Kazemian, X Yuan, R Meier and B Khoshnevis, "Performance-based testing of Portland cement concrete for construction-scale 3D printing," 3D Concrete Printing Technology, pp 13-35 [4] B P, J Scott Z, B Isaiah R and P Max A, "Towards the formulation of robust and sustainable cementitious binders for 3D additive construction by extrusion," 3D Concrete Printing Technology, pp 307-331, 2019 [5] Z Malaeb, F AlSakka and F Hamzeh, "3D concrete printing: machine design, mix proportioning, and mix comparison between different machine setups," 3D concrete printing technology, pp 115-136, 2019 [6] B Nematollahi, M Xia, P Vijay and J G Sanjayan, "Properties of extrusionbased 3D printable geopolymers for digital construction applications," 3D Concrete Printing Technology, pp 371-388, 2019 [7] N V.N, K M, N M and M V, CONPrint3D - 3D printing technology for onsite construction, Concrete in Australia, 2016 [8] Y JunNam, Y Kwang, H Woon and P MookLim, "Fiber-reinforced cementitious composite design with controlled distribution and orientation of fibers using threedimensional printing technology," 3D Concrete Printing Technology, pp 59-72, 2019 [9] G Cesaretti, E Dini, X Kestelier, V Colla and L Pambaguian, "Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology," Acta Astronautica, vol 93, pp 430-450, 2014 [10] M Xia and J Sanjayan, "Method of formulating geopolymer for 3D printing for construction applications," Materials & Design, vol 110, pp 382-390, 2016 THỂ LỆ VIẾT VÀ GỬI BÀI ĐĂNG TẠP CHÍ KH&CN ĐHTĐ Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Trường Đại học Thành Đông đăng tải báo công bố cơng trình nghiên cứu khoa học đa lĩnh vực tổng quan, chưa công bố loại hình báo chí Bài viết soạn thảo MS Word với độ dài tối thiểu trang, tối đa 12 trang (bao gồm tài liệu trích dẫn) Định dạng trang in thể thể thức trình bày: khổ giấy A4, lề 2cm, lề 2cm, lề trái 3cm, lề phải 2cm, giãn dòng 1.2 multiple; font chữ Times New Roman, cỡ chữ 13 Bài báo phải trình bày theo thứ tự sau: Tựa (Title): Chữ in hoa Dưới tựa tên tác giả (ghi rõ học hàm, học vị) tên quan công tác tác giả Tác giả chịu trách nhiệm nội dung viết, quyền tác giả nội dung trích dẫn viết Người chịu trách nhiệm viết ghi thứ tự danh sách tác giả Tác giả vui lịng cung cấp cho Tạp chí đầy đủ số điện thoại, email, địa gửi thư qua Bưu điện số tài khoản ngân hàng (nếu có) để tiện liên hệ Tóm lược (Summary or Abstract) Phần thể thành đoạn văn (Paragraph), nêu ngắn gọn mục đích, phương pháp nghiên cứu, kết nghiên cứu kết luận, độ dài khơng q 250 từ Phần tóm lược cần phải dịch sang tiếng Anh (yêu cầu không sử dụng công cụ dịch tự động) Từ khóa (Keywords): – từ Nội dung báo gồm: Giới thiệu; Cơ sở lý thuyết; Phương pháp nghiên cứu; Kết thảo luận; Kết luận; Danh mục Tài liệu trích dẫn (tối đa 10 tài liệu) Các ký hiệu, công thức phải rõ ràng, xác có đánh số Số thứ tự tiêu đề bảng đặt phía trên; số thứ tự tiêu đề hình vẽ, ảnh, đồ thị đặt phía Các biểu đồ, đồ thị minh hoạ cần thiết kế để người đọc dễ nhìn in trắng đen Các thuật ngữ khoa học trình bày theo quy định thức Nhà nước Nếu dùng thuật ngữ chưa phổ biến cần phải thích bên cạnh thuật ngữ xuất xứ Tịa soạn khơng nhận đăng không quy định nêu Bài viết gửi cho Ban biên tập qua hòm thư điện tử tòa soạn: tapchidhtd@thanhdong.edu.vn Tất viết gửi cho Tạp chí Ban biên tập gửi phản biện nhận xét, đánh giá thẩm định Ban biên tập liên hệ với tác giả để thực yêu cầu chỉnh sửa (nếu có) Bài đạt yêu cầu đăng Tạp chí số gần Ban biên tập không gửi lại tác giả thảo trường hợp gửi đăng không chọn đăng Địa liên hệ: Tịa soạn Tạp chí Khoa học Công nghệ Trường Đại học Thành Đông, Số Vũ Công Đán, phường Tứ Minh, thành phố Hải Dương, tỉnh Hải Dương ĐT: 0772 991 688; 0367 970 855 Link vào Tạp chí xuất bản: https://vjol.info.vn/index.php/thanhdong/index./ BAN BIÊN TẬP ... công nghệ in bê tông 3D nhận nhiều ý từ ngành xây dựng phương pháp thi công xây dựng đầy triển vọng Công nghệ in bê tông 3D TỔNG QUAN Ứng dụng công nghệ in bê tông 3D ngành xây dựng để chế tạo... dụng, lợi ích, khả áp dụng rào cản công nghệ in bê tông 3D ngành xây dựng giới CÁC CÔNG NGHỆ IN BÊ TƠNG 3D Trong năm qua, nhiều cơng nghệ in bê tông 3D khác phát triển để ứng dụng ngành xây dựng. .. công nghệ in bê tông 3D xây dựng giải vấn đề nan giải ngành xây dựng Bài báo giới thiệu công nghệ in bê tông 3D so sánh tính khả thi cơng nghệ ứng dụng ngành xây dựng Việt Nam Công nghệ in bê tơng