bài tập lớn công nghệ in 3d và ứng dụng trong lĩnh vực kiến trúc xây dựng

Theo các chuyên gia, đây cũng chính là “chìa khoá” công nghệ cho tương lai mà bất cứ doanh nghiệp nào, ngành công nghiệp sản xuất nào và bất cứ quốc gia nào đều phải chú ý.Hiện nay, các

HỌC VIỆN NGÂN HÀNG KHOA NGÂN HÀNG

BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH

VỰC KIẾN TRÚC & XÂY DỰNG

Nhóm

Hà Nội, tháng 12/2023

Mở đầu

1 Lý do lựa chọn đề tài

In 3D đã trở thành xu hướng công nghệ quan trọng trên thế giới và là một trong những công nghệ chủ chốt của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư Theo các chuyên gia, đây cũng chính là “chìa khoá” công nghệ cho tương lai mà bất cứ doanh nghiệp nào, ngành công nghiệp sản xuất nào và bất cứ quốc gia nào đều phải chú ý Hiện nay, các ứng dụng của công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển rộng rãi, nó thâm nhập sâu từ các lĩnh vực công nghiệp vĩ mô như hàng không vũ trụ đến các ngành cơ bản như thực phẩm, y tế, thời trang, đua xe thể thao, giáo dục, đặc biệt là kiến trúc, xây dựng tại Việt Nam Trong báo cáo nghiên cứu, chúng em sẽ phân tích những ưu nhược điểm và ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực kiến trúc và xây dựng

2 Mục tiêu:

- Tìm hiểu về công nghệ in 3D và ứng dụng của in 3D trong lĩnh vực kiến trúc & xây dựng

3 Đối tượng và phạm vi:

- Đối tượng: công nghệ in 3D và ứng dụng công nghệ trong lĩnh vực kiến trúc & xây dựng

- Phạm vi: Giảng viên với sinh viên hiện nay

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp luận

- Phương pháp thu thập số liệu

- Phương pháp tổng kết từ kinh nghiệm

- Phương pháp phân tích và tổng hợp

- Phương pháp giả thuyết

Phần 1: Khái quát công nghệ in 3D

1.1 Khái niệm công nghệ in 3D

In 3D là một dạng công nghệ được gọi là sản xuất đắp dần

Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing Materials - ASTM) đưa ra khái niệm về công nghệ sản xuất đắp dần: “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay”

Tạp chí The Engineer của Anh định nghĩa: In 3D là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều Trong in ấn 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 sản xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu điện tử khác

Có nhiều thuật ngữ khác cũng được dùng để chỉ công nghệ in 3D như công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ chế tạo nhanh hay công nghệ chế tạo trực tiếp Như vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra đời dựa trên cơ chế hay tính chất của công nghệ

Như vậy, tựu chung Công nghệ in 3D (Three Dimensional Printing) hay công nghệ bồi đắp vật liệu, là một chuỗi kết hợp các công đoạn khác nhau để tạo ra một vật thể ba chiều Các lớp vật liệu sẽ được đắp chồng lên nhau một cách tuần tự dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể

1.2 Nguồn gốc công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D ra đời đã được hơn 30 năm nay Thiết bị và vật liệu sản xuất đắp dần đã được phát triển trong những năm 1980

Năm 1981: bằng sáng chế đầu tiên cho thiết bị sử dụng tia UV để xử lý photopolymer (hình ảnh cứng polymer) được trao cho Hideo Kodama ở Nhật Bản Ông thiết kế nó để 'tạo mẫu nhanh' vì nó được thiết kế để tạo ra các mô hình và nguyên mẫu, nhưng không có sự quan tâm và bằng sáng chế

đã bị hủy bỏ

Năm 1984: các nhà phát minh người Pháp Alain Le Mehaute, Olivier de Witte, và Jean Claude André đã nộp bằng sáng chế, giống như của Hideo, ánh sáng tia cực tím được sử dụng để xử lý các photopolyme General Electric đã từ bỏ bằng sáng chế với lý do thiếu tiềm năng kinh doanh đáng kể

Năm 1986: Charles Hull đã sáng tạo ra quy trình Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser Sau đó ông đăng ký bản quyền cho công nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS) có sử dụng file định dạng STL (Standard Tessellation Language) Hull cũng thành lập công ty 3Dsystems và đến nay nó là một trong những công ty cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực in 3D

Nếu lập biểu đồ thời gian thì ta sẽ thấy công nghệ in 3D phát triển theo một biểu đồ logarit Trong 20 năm đầu tiên, từ năm 1986 đến năm 2007, công nghệ in 3D chỉ có những bước đi chậm, nhỏ, là giai đoạn xâm nhập Mãi cho đến năm

2009, công nghệ mới có biến động lớn trên thị trường Từ đó đến nay, in 3D đã dần phát triển rộng rãi Với việc sáng tạo của con người qua từng giai đoạn, công nghệ

in 3D đã được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, từ thiết kế, sản xuất linh kiện cho đến y học, xây dựng…

1.3 Đặc điểm của công nghệ in 3D

1.3.1 Ưu điểm

Khác với nhiều phương pháp gia công thông thường như cắt, tỉa, gọn, với nhiều công đoạn khá phức tạp, công nghệ in 3D mang lại nhiều ưu điểm nổi bật hơn…

- In 3D giúp giảm thiểu chi phí sản xuất:

Tiết kiệm chi phí nguyên vật liệu: Việc sử dụng máy in 3D thông minh cho phép sản xuất sản phẩm bằng một khối lượng nguyên liệu nhỏ thay vì phải

sử dụng các công cụ, máy móc được lắp rắp từ nhiều chi tiết phức tạp khác nhau khi sản xuất truyền thống Điều đó giúp giảm chi phí cho các vật liệu sản xuất

Giảm tốn kém cho công cụ và máy móc sản xuất: Với sản xuất truyền thống, các công cụ, máy móc sản xuất phải cần phải thường xuyên mất chi phí bảo trì, sửa chữa, trong khi đó in 3D giúp giảm sự cần thiết đó cho những máy móc công cụ phức tạp

Giảm thiểu chi phí sản xuất: Trong sản xuất truyền thống, chi phí đầu tư cao hơn, bao gồm chi phí đầu tư vào công cụ, trang thiết bị an toàn, nhân công lao động, chi phí vận chuyển và lưu trữ sản phẩm Việc sử dụng in 3D thông minh giúp giảm thiểu nhiều chi phí kể trên nhờ sử dụng nguyên liệu, năng lượng ít hơn và cải thiện quy trình sản xuất một cách tốt nhất

- Tăng năng suất sản xuất:

In 3D giúp tiết kiệm thời gian : trước kia dùng phương pháp gia công nhiều công đoạn trong quá trình sản xuất và thi công, nhờ in 3D mọi công đoạn đều được rút ngắn Ngoài ra, việc tạo ra các mẫu vật bằng các loại máy, trong một thời gian nhất định, những sản phẩm có thể tạo ra nhanh chóng hơn Trung bình mỗi sản phẩm được tạo ra có thời gian hoàn thành từ 3-72 giờ, thời gian hoàn thành phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng so với các phương pháp truyền thống, in 3D đã giúp tiết kiệm phần lớn thời gian Quy trình sản xuất bằng máy in 3D thông minh thường nhanh hơn nhiều so với sản xuất truyền thống

Sản xuất hàng loạt: Máy in 3D thông minh có thể sản xuất hàng loạt một cách nhanh chóng và khả năng đồng bộ hóa quy trình sản xuất, giúp tăng năng suất sản xuất

Tăng khả năng tùy chỉnh sản phẩm: Máy in 3D thông minh đáp ứng nhu cầu của khách hàng bằng cách cho phép sản xuất sản phẩm có kích thước

và hình dạng đa dạng

Độ chính xác cao: So với dòng máy in công nghệ truyền thống, in trắng đen hay màu thì công nghệ in 3D có độ chính xác cao hơn Đặc biệt có thể đảm bảo khi in ấn từng khối vật thể và lắp ráp thành một khối thống nhất

Với sự phát triển nhanh chóng, công nghệ in 3D ngày càng có nhiều sự cải tiến hơn, đa dạng hơn Những ưu điểm của công nghệ này, đang được khai thác

và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống

1.3.2 Nhược điểm

Dù có nhiều ưu điểm nổi bật, nhưng in 3D vẫn có những hạn chế nhất định

- Giá thành cao: Máy in 3D thường có giá cao gấp 3-4 lần, thậm chí là hơn so với giá thành của công nghệ in truyền thống tại Việt Nam

- Khó khăn đối với người chưa thành thạo về công nghệ : Công nghệ in 3D có nguyên lý hoạt động và cách thức sử dụng phức tạp, khác hẳn so với máy in bình thường Các file tích hợp trong máy cần được điều chỉnh, xử lý bằng phần mềm, tạo thành file mới có thể cho vào máy in hoạt động

- Kích thước phôi in giới hạn: Đa số các dòng máy in 3D trên thị trường đều

có phôi in giới hạn với kích thước khá nhỏ Điều này một phần do thời gian máy in vận hành lâu, ngoài ra nếu kích thước phôi lớn thì mất nhiều chi phí

và hầu hết nhu cầu thị trường không có

1.4 In 3D trong lĩnh vực kiến trúc

Trong hai thập kỷ qua, việc phát minh và thương mại hóa công nghệ in 3D

là một trong những bước tiến công nghệ thú vị nhất Công nghệ in 3D đã và đang ứng dụng rộng rãi trong đa dạng lĩnh vực khác nhau, và trong kiến trúc xây dựng cũng không phải ngoại lệ

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 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 Năm 2014: một ngôi nhà hoàn chỉnh trên kênh được xây dựng bằng công nghệ in 3D tại Amsterdam Năm 2016: Trung Quốc đã xây dựng thành công một dinh thự lớn chỉ bằng công nghệ in 3D Năm 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 Năm 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

Biệt thự Winsun được xây dựng bằng công nghệ in 3D

Giống như với hầu hết các ngành công nghiệp, bài toán đặt ra để tăng trưởng là: Làm thế nào chúng ta có thể xây dựng nhanh hơn, tiết kiệm hơn, đơn giản hóa

sự phức tạp và thực hiện những điều trên một cách bền vững hơn? Ứng dụng in 3D trong xây dựng mang đến cơ hội đáp ứng được tất cả những nhu cầu này

Cho đến nay, các ngôi nhà in 3D có thể được xây dựng dựa trên kỹ thuật như sau: Máy in 3D tạo ra các bức tường rỗng bằng phương pháp lắng đọng hàng trăm lớp

bê tông lỏng

Đầu đùn của máy in có thể được hỗ trợ bằng cần trục hoặc cánh tay robot Hỗn hợp bê tông phải đủ lỏng để có thể dễ dàng đùn ra bằng vòi phun Nhưng không được quá nhiều để tạo thành các lớp đồng đều

Không cần dùng bất kỳ ván khuôn hoặc cấu trúc cố định nào cho đến khi bê tông đông cứng

Ngay sau khi bê tông đông cứng, vật liệu cách nhiệt được đưa vào trong các hốc tường và các khe hở

Các ống kỹ thuật lắp đặt trong nhà để dẫn hệ thống dây điện cũng có thể được in 3D

Máy in 3D cũng có thể tạo ra các thành phần nội thất như là bếp nấu, bồn tắm Thời gian để hoàn thành một ngôi nhà in 3D mất từ 24h – 7 ngày, tùy thuộc vào quy mô Tuy nhiên, phương pháp trên khá phức tạp, cùng với đó là cần có một máy

in 3D đủ lớn để có thể bao quát được hết căn nhà Do vậy, người ta đã nghĩ đến một phương pháp nhỏ gọn hơn Đó là in 3D từng bộ phận và lắp ráp chúng lại với nhau để có được một ngôi nhà in 3D hoàn chỉnh

Phần 2 Khó khăn trong lĩnh vực kiến trúc, xây dựng truyền thống

2.1 Vật liệu kiến trúc xây dựng không thân thiện với môi trường

Hiện nay, những vật liệu xây dựng như bê tông, xi măng, sắt thép, gạch nung… đều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường tự nhiên và con người Các vật liệu này gây ra rất nhiều vấn đề, bao gồm ô nhiễm môi trường, tiêu thụ năng lượng lớn

và làm suy giảm tài nguyên thiên nhiên Đặc biệt, việc sử dụng vật liệu không thân thiện với môi trường đã làm gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường, đẩy môi trường vào tình trạng nguy hiểm Đồng thời, việc sản xuất và sử dụng các loại vật liệu này chiếm lượng năng lượng rất lớn và mất cân bằng trong việc sử dụng tài nguyên tự nhiên, làm suy giảm tài nguyên và tạo ra những vấn đề đối với tương lai của nhân loại

Đầu tiên, khi chế tạo và sản xuất các vật liệu trong kiến trúc xây dựng, quá trình công nghiệp sẽ thải ra môi trường những khí gây hiệu ứng nhà kính như CO , 2

CH4 hay phá hủy tầng ozon như CFC… Hơn nữa, trong quá trình sử dụng, các vật liệu này có thể bị phân hủy thành các chất độc hại và gây ô nhiễm cho nguồn nước

và không khí Khi vật liệu không thân thiện với môi trường được loại bỏ, chúng tạo

ra rác thải và ô nhiễm môi trường, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người

Kế tiếp, việc sản xuất và vận chuyển vật liệu không thân thiện với môi trường như bê tông, cốt thép và gạch nung đòi hỏi năng lượng lớn trong quá trình sản xuất và xây dựng Những năng lượng này đều là năng lượng không tái tạo vì vậy sẽ góp phần vào hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu Ngoài ra, quá trình xây dựng cũng đòi hỏi nhiều năng lượng, từ công nghệ xây dựng cho đến hoạt động sử dụng và bảo trì, ảnh hưởng rất lớn đến tiêu thụ năng lượng toàn cầu và tài nguyên năng lượng tự nhiên

Cuối cùng, sử dụng vật liệu không thân thiện với môi trường dẫn đến sự suy giảm nguồn tài nguyên thiên nhiên Việc khai thác và sử dụng quá mức các nguồn tài nguyên như cát, gỗ, đá không chỉ gây ra thiệt hại cho môi trường mà còn gây ra những vấn đề xã hội và kinh tế

2.2 Chi phí và thời gian thi công cao

Chi phí và thời gian thi công là hai vấn đề quan trọng trong kiến trúc xây dựng Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thi công và kết quả cuối cùng của

dự án Khi chi phí và thời gian thi công cao, các nhà thầu và chủ đầu tư đều phải đối mặt với những khó khăn và áp lực Ngoài ra, nếu chi phí và thời gian thi công cao, tổng mức đầu tư của dự án sẽ tăng theo và điều này có thể làm gia tăng rủi ro của tài chính và gây ra khó khăn trong quản lý nguồn lực Việc kéo dài thời gian thi công cũng có thể làm tăng chi phí và ảnh hưởng đến lịch trình của dự án Một trong những thách thức lớn nhất của các nhà đầu tư phải đối mặt trong quá trình thi công là sự biến động của thị trường và giá cả Giá vật liệu tăng và tiền trả cho công nhân lao động tăng có thể ảnh hưởng lớn đến chi phí và thời gian thi công Thêm vào đó, thời tiết không thuận lợi cũng có thể làm chậm tiến độ thi công

và tăng chi phí

2.3 Hạn chế trong thiết kế và sửa chữa

Trong quá trình thiết kế và sửa chữa kiến trúc xây dựng, có nhiều khó khăn phải và thách thức phải đối mặt Đó là vấn đề về kinh phí, thời gian và kiến thức chuyên môn

Đầu tiên là hạn chế về vấn đề kinh phí Kinh phí hạn chế có thể ảnh hưởng đến việc chọn lựa vật liệu, phương pháp và quy mô công trình Nếu kinh phí không

đủ, các nhà thầu và chủ đầu tư có thể phải dùng vật liệu kém chất lượng hoặc không đáp ứng được yêu cầu thiết kế Đồng thời vấn đề thiếu kinh phí cũng ảnh hưởng đến quy mô và tiến độ của dự án do sự giới hạn về tài nguyên và nhân lực

Vì vậy, vấn đề kinh phí rất quan trọng trong thiết kế và sửa chữa kiến trúc xây dựng

Hạn chế về mặt thời gian cũng là một trong những thách thức lớn trong quá trình thiết kế và xây dựng Thiết kế và sửa chữa một công trình đòi hỏi thời gian nghiên cứu, lập kế hoạch và thực hiện Tuy nhiên trong một số trường hợp thời gian thực hiện công trình có thể bị hạn chế do yêu cầu cấp bách hoặc do áp lực của chủ đầu tư Điều này có thể gây ra rủi ro về chất lượng và sự thiếu tỉ mỉ chính xác trong quá trình thi công Do đó, quản lý thời gian là vô cùng quan trọng trong việc đảm bảo thiết kế và sửa chữa được diễn ra đúng tiến độ

Cuối cùng là hạn chế về kiến thức chuyên môn Việc hiểu biết về các quy định, các quy chuẩn và công nghệ là điều kiện cần để thực hiện dự án thành công Hạn chế về kiến thức chuyên môn có thể gây ra sai sót trong thiết kế và sửa chữa, dẫn đến những kết quả không mong muốn, làm chất lượng của sản phẩm cuối cùng không được hoàn hảo, có thể gây lãng phí tài nguyên và tác động tiêu cực đến môi trường

2.4 Tính linh hoạt và tùy chỉnh kém

Tính linh hoạt và tùy chỉnh kém cũng là một hạn chế trong kiến trúc xây dựng truyền thống Không có sự linh hoạt và tùy chỉnh trong cấu trúc và thiết kế dẫn đến hạn chế trong việc thay đổi thiết kế và không thể thích nghi với yêu cầu thay đổi nhanh chóng của các nhà đầu tư