bài tập lớn môn năng lực số ứng dụng ứng dụng công nghệ in 3d trong lĩnh vực xây dựng

LỜI CAM ĐOANChúng tôi xin cam đoan rằng nội dung của đề tài “Ứng dụng công nghệ in 3Dtrong lĩnh vực xây dựng” được trình bày trong bài tập lớn môn Năng lực số Ứng dụnglà thành quả của sự

HỌC VIỆN NGÂN HÀNG

HỆ CHÍNH QUY

BÀI TẬP LỚN MÔN NĂNG LỰC SỐ ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IN 3D TRONG

LĨNH VỰC XÂY DỰNG

NHÓM 5

HÀ NỘI – 12/2022 HỌC VIỆN NGÂN HÀNG

HỆ CHÍNH QUY

BÀI TẬP LỚN MÔN NĂNG LỰC SỐ ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IN 3D TRONG

LĨNH VỰC XÂY DỰNG

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Phan Tình

Danh sách nhóm:

1 Mã sinh viên: 25A4012402 Họ tên: Phạm Văn Hiếu (NT)

2 Mã sinh viên: 25A4011037 Họ tên: Cao Chính Nguyên

3 Mã sinh viên: 25A4010759 Họ tên: Cao Bảo Ngọc

4 Mã sinh viên: 24A4011801 Họ tên: Trần Mạnh Tiến

5 Mã sinh viên: 25A4012157 Họ tên: Nguyễn Minh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Nhóm 5 chúng tôi xin cảm ơn giảng viên Nguyễn Phan Tình đã nhiệt tình hướng dẫn nhóm trong quá trình xây dựng ý tưởng, đề cương và triển khai thực hiện nghiên cứu

đề tài, tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm có thể học tập nghiên cứu và phát triển bài tập lớn một cách hoàn thiện nhất có thể

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam đoan rằng nội dung của đề tài “Ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng” được trình bày trong bài tập lớn môn Năng lực số Ứng dụng

là thành quả của sự tìm hiểu, nghiên cứu của cá nhân nhóm dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Phan Tình, không sao chép lại của bất kỳ tổ chức, cá nhân nào dưới bất kỳ hình thức nào Tất cả các nguồn tài liệu tham khảo, các công trình nghiên cứu liên quan đều được trích dẫn cụ thể

Chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có bất kỳ phát hiện nào về sự sao chép mà không có trích dẫn trong tài liệu tham khảo

MỤC LỤC

Lời cảm ơn 1

Lời cam đoan 2

MỤC LỤC 3

Danh mục các từ viết tắt 4

Lời mở đầu 5

Chương 1 Tổng quan về công nghệ in 3D 2

1.1 Công nghệ in 3D là gì? 2

1.2 Quy trình in 3D 2

Chương 2 Ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng 3

- In nhà 3D thành khối lớn nhờ máy in khổng lồ: 3

- In nhà 3D lắp ráp: 3

Chương 3 Thực trạng và Tiềm năng in 3D trong lĩnh vực xây dựng 5

3.1 Tại Việt Nam 5

3.2 Trên thế giới: 5

3.3 Tiềm năng ngành xây dựng bằng in 3D: 6

Chương 4 Đề xuất giải pháp 7

Kết luận 8

Tài liệu tham khảo 9

5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CNTT Công nghệ thông tin

STL Stereolithography

USC The University of Santiago

VIBM Viện Vật liệu xây dựng

M2M Máy-nối-máy

LỜI MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên mới với sự phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin (CNTT) Công nghệ thông tin đã đạt đến giai đoạn phát triển cao khi tất cả thông tin được số hóa, lưu thông và kết nối tất cả chúng ta một cách mạnh mẽ Tất cả các loại dữ liệu thông tin, âm thanh, hình ảnh đều có thể được số hóa và bất kỳ máy tính nào cũng có thể lưu trữ, xử lý và chuyển tiếp chúng cho nhiều người Các công cụ và khả năng kết nối của thời đại công nghệ số cho phép chúng ta dễ dàng thu thập, chia sẻ và xử

lý những thông tin này theo những cách thức mới, dẫn đến hàng loạt thay đổi về nhận thức, phong tục tập quán, thói quen truyền thống và cả những giá trị sống Ngày nay, ứng dụng của công nghệ thông tin trong nhiều lĩnh vực như đời sống, công việc đã, đang và

sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi, xu hướng khoa học công nghệ có mặt ở khắp mọi nơi, phục vụ và nâng cao chất lượng cuộc sống Trong cuộc sống của con người, công nghệ sẽ xuất hiện ở nhiều nơi

Do lợi ích tiềm năng vô cùng lớn của những công nghệ này bao gồm xây dựng nhanh hơn, chi phí lao động thấp hơn, độ phức tạp và/hoặc độ chính xác cao hơn, tích hợp nhiều chức năng hơn và ít tạo ra chất thải hơn Vì vậy, sau quá trình thảo luận, nhóm

đã quyết định lựa chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng”

7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D

1.1 Công nghệ in 3D là gì?

In 3D (tiếng Anh: Three Dimensional Printing) hay còn gọi là Công nghệ bồi đắp vật liệu, là một chuỗi kết hợp các công đoạn khác nhau để tạo ra một vật thể ba chiều Trong In 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ,

và được tạo ra từ một mô hình 3D hoặc các nguồn dữ liệu điện tử khác.[1]

1.2 Quy trình in 3D

Hầu hết các máy in 3D đều sử dụng chung một quy trình bao gồm 5 bước cơ bản là: [2]

1 Tạo dựng mô hình CAD (CAD Model Creation): Đầu tiên, đối tượng sẽ được mô hình hóa bằng cách dùng các phần mềm như: Solidworks, ProE,… Từ đó, người thiết kế

có thể dùng một tập tin CAD có từ trước hoặc tạo mới theo mục đích tạo mẫu Quá trình tạo dựng mô hình 3D này tương tự như các loại kỹ thuật RP

2 Chuyển đổi CAD sang định dạng STL: Với những phần mềm in 3D khác nhau sẽ

có các thuật toán khác nhau để thể hiện ở trên vật thể rắn Tuy nhiên để thiết lập tính thống nhất với định dạng STL (stereolithography) được áp dụng như tiêu chuẩn dành cho ngành công nghiệp tạo vật mẫu nhanh

3 Loại định dạng này là quỹ tích của các mặt tam giác phẳng lắp ráp liên tục với nhau Thể hiện bề mặt của vật thể không gian ba chiều Bởi định dạng STL sử dụng các yếu tố mặt phẳng nên nó không thể hiện bề mặt cong một cách chính xác

4 Do đó, chúng ta sẽ tăng số lượng tam giác để cải thiện độ mịn trên bề mặt cong nhưng file sẽ có dung lượng nặng Đối với các chi tiết lớn, phức tạp sẽ mất nhiều thời gian cho khâu tiền xử lý và xây dựng định dạng STL Vì thế, người thiết kế phải cân nhắc kỹ lưỡng yếu tố thời gian, dung lượng file và độ chính xác ở bước này

5 Cắt file STL thành những tiết diện theo thứ tự trên trục Z: Ở bước này sẽ là một chương trình tiền xử lý file STL được xây dựng Với một số chương trình có sẵn sẽ cho phép người dùng điều chỉnh kích thước, vị trí và hướng đặt để mô hình

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IN 3D TRONG LĨNH VỰC XÂY

DỰNG

Công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng có thể được coi là một bước tiến của ngành xây dựng nhằm nâng cao tính giải pháp Với máy in 3D, người ta đã có thể dễ dàng tạo ra mô hình thử nghiệm,công trình kiến trúc hay thậm chí là in 3D vật liệu xi măng để dựng lên các bức tường nhà Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa và

bê tông

In 3D trong xây dựng được coi là phương pháp khá phổ biến tại nhiều đơn vị thiết

kế hiện nay.[3] Có 2 cách trong xây dựng là in cả một khối căn nhà và in thành từng các

bộ phận rồi ráp lại:

- In nhà 3D thành khối lớn nhờ máy in khổng lồ:

Phương pháp này được coi là một phương pháp khá phức tạp, vì để in một ngôi nhà lớn, cần có một máy in thực tế lớn Hiện tại, máy in cao tới 6m, dài gần 40m đã được lắp đặt và chế tạo thành công In 3D toàn bộ ngôi nhà phức tạp theo những cách khác Tuy nhiên, phức tạp nhất là khâu lắp đặt máy in, khi in xong, ngôi nhà sẽ được xây dựng kiên cố thành từng khối, không vết nối Điều này hạn chế rất nhiều những hư hỏng sau này

- In nhà 3D lắp ráp:

Nếu như hệ thống máy in 3D gia đình tích hợp tương đối cồng kềnh và ít người

sử dụng thì công nghệ in 3D lắp ráp này lại được nhiều người sử dụng hơn Lý do tại sao bạn không cần một máy in lớn là để xây dựng một ngôi nhà Thông qua các phương pháp

in khác nhau, các bộ phận khác nhau của ngôi nhà sẽ được hoàn thiện và lắp ráp từng mảnh một Họ tạo thành những ngôi nhà hoàn chỉnh với các khớp của họ Phương pháp này khá tốn thời gian nhưng dễ dàng cho bộ phận in ấn

Trong gần hai thập kỷ qua, in 3D đã được ứng dụng trong hàng loạt các sáng kiến

và dự án xây dựng đầy tham vọng Một số dự án được coi là dấu mốc quan trọng bao gồm:[4]

2004: Một giáo sư USC đã tạo ra bức tường in 3D đầu tiên và được chấp nhận rộng rãi Đây được coi là bước tiến đầu tiên của công nghệ in 3D vào lĩnh vực xây dựng 2014: Một ngôi nhà hoàn chỉnh trên kênh được xây dựng bằng công nghệ in 3D tại Amsterdam

2016: Trung Quốc đã xây dựng thành công một dinh thự lớn chỉ bằng công nghệ

in 3D

9

2016: Một cột mốc quan trọng về việc in 3D trong xây dựng thương mại Đó là Dubai đã xây dựng thành công một tòa nhà văn phòng rộng gần 260m2 chỉ trong 17 ngày

2019: BAM đã mở trung tâm in bê tông đầu tiên của Châu Âu tại Hà Lan Và đã xây dựng một số cây cầu in 3D trong toàn khu vực

2021: Hàng loạt công ty xây dựng lớn trên thế giới đã ứng dụng công nghệ in 3D

để xây dựng phòng cách ly tạm thời cho bệnh nhân Covid-19

Thị trường xây dựng in 3D dự kiến sẽ đạt 1.5 tỷ USD vào năm 2024 Ngành công nghiệp xây dựng đang áp dụng các công nghệ in 3D, để có thể xây nên những công trình có cấu trúc ấn tượng, các công trình bền vững hơn nhưng thời gian thi công lại được rút ngắn mà an toàn lao động vẫn được đảm bảo hoặc thậm chí là cải thiện Công nghệ in 3D đang trở nên cực kì phổ biến trong ngành xây dựng, được áp dụng trong nhiều dự án xây dựng trên khắp thế giới Công nghệ in 3D đang mở ra hy vọng cho hàng trăm triệu người sống trong những khu ổ chuột trên thế giới Với giá thành rẻ và khả năng xây cực nhanh, phương pháp xây nhà bằng in 3D hứa hẹn sẽ thay đổi cuộc sống của nhiều người

CHƯƠNG 3 THỰC TRẠNG VÀ TIỀM NĂNG IN 3D TRONG LĨNH VỰC

XÂY DỰNG 3.1 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, in 3D dù là một trong những công nghệ mới đang được phát triển và đầu tư trong nhiều ngành, xây dựng lại không phải một ngành mà in 3D được vận dụng nhiều Nước ta vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu những công nghệ in 3D mới để có thể sử dụng một cách hiệu quả In 3D trong xây dựng ở Việt Nam chỉ dừng lại ở việc in

mô hình thử nghiệm kiến trúc để thuận lợi cho việc lên kế hoạch xây dựng

Tuy vậy, những công nghệ in 3D trong xây dựng vẫn đang được nghiên cứu và phát triển không ngừng Dự định trong tương lai, in 3D sẽ trở thành một trong những công nghệ cốt yếu được áp dụng cho ngành xây dựng Giúp cho ngành xây dựng có thể nâng cao chất lượng, rút ngắn tiến độ và giảm giá thành công trình

Một trong những công nghệ in 3D được chú trọng nghiên cứu tại Việt Nam là in 3D

bê tông Nước ta hiện nay có 3 đơn vị đang nghiên cứu về công nghệ in 3D bê tông: VIBM, Đại học Bách Khoa HCM và Học viện kỹ thuật quân sự Trong đó, VIBM vinh

dự là đơn vụ đầu tiên và duy nhất đã chế tạo thành công máy in 3D bê tông cỡ lớn ở Việt Nam Máy có kích thước tổng thể 4,92×2,53×2,53 m và kích thước cấu kiện lớn nhất có thể in được lên đến 1,8x1,8x2,5 m Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần đặt nền móng vững cho công nghệ in 3D trong xây dựng tại Việt Nam.[5]

Gần đây, trong khoảng quý 2 năm 2022, cũng đã có những công trình được xây lên bằng công nghệ in 3D để phục vụ việc nghiên cứu cũng như thể hiện tiềm năng của công nghệ này trong tương lai Một nhóm kỹ sư thuộc trường Đại học Bách Khoa HCM đã sử dụng công nghệ bê tông in 3D để xây dựng hai tòa nhà có lần lượt có diện tích là 70m2

và 127,5m2 Một nhóm khác là nhóm sinh viên tại trường đại học Sư phạm kỹ thuật HCM cũng đã sử dụng công nghệ bê tông in 3D để xây dựng một tòa nhà có diện tích 27m2 Đây đều là kết quả của quá trình nghiên cứu khoa học để chứng minh những hiệu quả của việc vận dụng in 3D vào xây dựng

3.2 Trên thế giới:

Mặc dù công nghệ in 3D vẫn còn mới và chưa được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, rất nhiều những tiến bộ khoa học cùng với những ứng dụng trên thế giới vẫn đang xảy ra với tốc độ nhanh hơn bao giờ hết Rất nhiều dự án được thực hiện hàng năm với hàng trăm ngôi nhà in 3D được xây lên Viễn cảnh toàn bộ những ngôi nhà trong tương lai được xây lên sử dụng công nghệ in 3D có lẽ đã không còn xa

11

Nhiều nước trên thế giới bây giờ đang có một nền xây dựng sử dụng công nghệ in 3D phát triển Mĩ là một trong những nước mà sự phát triển của công nghệ in 3D trong xây dựng không ngừng nghỉ Có rất nhiều công ty xây nhà bằng cách in 3D ở nhiều bang khác nhau như ICON, Apis Cor, Alquist 3D, SQ4D,… Những công ty này vẫn đang có rất nhiều dự án trong tương lai và hàng năm xây lên những căn nhà in 3D ở nhiều bang trên nước Mĩ Trung Quốc có Winsun là một trong những công ty đi đầu trong việc sử dụng công nghệ in 3D để xây dựng Những nước tại châu Âu cũng đang là nơi để xây dựng bằng in 3D phát triển Nhiều công ty khác tại châu Âu không kém cạnh gì Mĩ như Peri 3D Construction, CyBe Construction, WASP,… đang rất phát triển

Ngoài ra, in 3D giờ đây còn đang được phát triển để xây dựng lên những kiên trúc khác không chỉ có nhà In 3D còn được áp dụng để xây dựng lên hàng rào và những cây cầu Cây cầu đầu tiên được xây dựng bằng công nghệ in 3D là tại Tây Ban Nha trong một công viên tên là Castilla-La Mancha tại Alcobendas, Madrid Công nghệ được sử dụng để

in cây cầu này tên là 3DBRIDGE và được phát triển bởi ACCIONA Những tổ chức trong ngành khám phá vũ trụ như NASA hay ESA đang nghiên cứu những công nghệ in 3D để một ngày có thể xây dựng căn cứ trên mặt trăng.[6]

3.3 Tiềm năng ngành xây dựng bằng in 3D:

Với sự phát triển không ngừng nghỉ hiện nay, có thể thấy rằng tương lai ngành xây dựng sẽ có những bước tiến rất lớn khi áp dụng những công nghệ in 3D Trong thời kì mà nhu cầu xây nhà đang tăng cao, xây dựng bằng công nghệ in 3D sẽ trở thành một trong những công nghệ được phổ biến và nâng cao, giúp cho việc cung cấp những ngôi nhà trở nên dễ dàng hơn

Áp dụng công nghệ in 3D vào xây dựng sẽ giảm thiểu chi phí và giúp cho ngành nghề xây dựng dễ tiếp cận Xây nhà bằng công nghệ in 3D không cần nhiều nhân công và chi phí vật liệu cũng giảm thiểu hơn so vói việc xây nhà bình thường Việc xây nhà bằng máy in 3D cũng giúp ngành xây dựng dễ dàng tiếp cận hơn với những ngành điện tử hay máy tính Chúng ta có thể tưởng tượng đến viễn cảnh khi mà ta có thể thuê một cái máy xây nhà để xây lên một ngôi nhà theo ý muốn của bản thân ta mà có thể được hoàn thiện chỉ trong một thời gian ngắn

Xây dựng bằng công nghệ in 3D có thể giảm thiểu việc ô nhiễm môi trường trong ngành xây dựng Xây dựng bình thường thường sẽ sử dụng nhiều máy móc cùng với nguyên vật liệu bốc khói, chất làm ô nhiễm môi trường Việc sử dụng máy in 3D sẽ giảm

đoạn ảnh hưởng tới sức khỏe bản thân họ Thay vào đó, công nghệ in 3D sẽ giúp cho nhũng trường hợp trong xây dựng ảnh hưởng tới sức khỏe tính mạng con người ít đi

CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP

Là một trong những công nghệ chủ chốt của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ

tư, tiềm năng ứng dụng của in 3D ở một số lĩnh vực sản xuất trong nước là khá cao Tuy nhiên, việc ứng dụng in 3D tại Việt Nam hiện chủ yếu vẫn mang tính chất thử nghiệm, chưa có hệ thống và tính liên kết để tạo ra sự phát triển bền vững Thế nên, cần thêm giải pháp để phát huy hết tiềm năng công nghệ in 3D, đưa vào ứng dụng nhiều hơn trong thực tiễn

- Phổ biến rộng rãi hơn công nghệ in 3D tại Việt Nam:

Mặc dù công nghệ in 3D đem lại rất nhiều lợi ích trong lĩnh vực xây dựng, tuy nhiên, trình độ nhân lực trong ngành này còn hạn chế Các trường đại học chưa có chương trình đào tạo chuyên ngành in 3D và đào tạo chuyên sâu môn thiết kế 3D Trong khi, các công ty, doanh nghiệp hay đơn vị nghiên cứu trong ngành chưa tạo ra một đầu mối kết nối các đơn vị cùng lĩnh vực, chưa đưa ra các định hướng, mục tiêu phát triển, hỗ trợ nhau một cách cụ thể Theo Giám đốc Điều hành của Công ty 3D Smart Solutions Trương Tấn Tòng, tốc độ phổ biến công nghệ in 3D tại Việt Nam còn thấp, thị trường in 3D còn manh mún, chưa có hệ thống và tính liên kết [7]

- Hỗ trợ doanh nghiệp chuyển giao công nghệ, phát triển nguồn nhân lực: Trình độ nhân lực trong ngành in 3D còn hạn chế Các trường đại học chưa có chương trình đào tạo chuyên ngành in 3D và đào tạo chuyên sâu môn thiết kế 3D Vì vậy việc phát triển nguồn nhân lực cũng như hỗ trợ doanh nghiệp chuyển giao công nghệ sẽ thúc đẩy ngành in 3D trong lĩnh vực xây dựng phát triển, mở ra nhiều bước tiến mới cho ngành xây dựng cũng như các ngành khác có liên quan đến in 3D

- Khuyến khích nghiên cứu tìm ra vật liệu mới phù hợp với in 3D trong xây dựng

- Phát triển cơ sở hạ tầng, máy móc phục vụ cho ngành:

Phát triển cơ sở hạ tầng, máy móc phục vụ cho ngành sẽ là điều kiện thuận lợi cho việc phát triển, nghiên cứu, tìm ra được những công nghệ mới- những thứ chưa thực sự phổ biến tại Việt Nam

-13