Vì kỹ thuật này có khả năng loại bỏviệc sử dụng ván khuôn, các đặc tính lưu biến của vật liệu đặc biệt quan trọng để vật liệu được bơm và có thể giữ hình dạng sau quá trình in [5].. Khả
Thí nghiệm đánh giá khả năng in của vật liệu bê tông
Giới thiệu chung về vật liệu bê tông
Công nghệ in 3D, hay còn gọi là sản xuất bồi đắp, là quá trình chế tạo sản phẩm bằng cách xếp chồng các lớp vật liệu lên nhau Thuật ngữ "in 3D" ám chỉ việc sử dụng máy in với đầu in di chuyển để tạo ra sản phẩm hoàn thiện Mặc dù hoạt động tương tự như công nghệ in truyền thống, in 3D thường đi kèm với các kỹ thuật tiên tiến hơn Công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, tạo ra đa dạng sản phẩm với hình dạng và kích thước khác nhau.
Công nghệ in 3D đang được ứng dụng trong ngành xây dựng, bao gồm các công trình dân dụng, cầu và hạ tầng kỹ thuật Một hệ thống in 3D tiêu biểu được phát triển bởi Viện công nghệ Massachusetts đã chứng minh tiềm năng của công nghệ này Mặc dù mới ở giai đoạn đầu, nhiều nỗ lực đã thành công trong việc xây dựng toà nhà bằng máy in 3D khổng lồ Công nghệ in 3D mang lại cải tiến về chất lượng, tốc độ và chi phí, đặc biệt là giảm chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn trong xây dựng và giảm thiểu tác động đến môi trường Để bắt đầu quá trình in 3D, cần có một bản thiết kế mô hình 3D.
Hình 1.1: Tua bin Sierra [24] là phần mềm CAD hỗ trợ thiết kế trên máy tính Mô hình 3D của sản phẩm có thể được thiết kế trực tiếp trên các phần mềm CAD hoặc tái tạo qua thiết bị quét 3D cùng phần mềm xử lý chuyên dụng Sau khi hoàn thành bản thiết kế mô hình 3D, dữ liệu thường được chuyển sang định dạng STL (Standard Tessellation Language) để sử dụng trong các phần mềm chuyên biệt.
Công nghệ in 3D hiện nay chủ yếu sử dụng nhựa và bê tông, với bê tông có vai trò như "mực" trong quá trình in Mặc dù vật liệu gốc xi măng đã được ứng dụng trong xây dựng từ nhiều thế kỷ, nhưng việc phát triển các phương pháp in 3D cho loại vật liệu này vẫn còn nhiều thách thức Nghiên cứu đang hướng tới việc tạo ra bê tông in 3D tự gia cố bằng cách thêm sợi vào cấp phối, nhằm giảm thiểu sự cần thiết của thép trong các công trình Các sợi này không chỉ thay thế các vết nứt lớn bằng hệ thống vết nứt vi mô mà còn kiểm soát sự mở rộng của các vết nứt nhờ vào sự phân bố dày đặc của chúng trong nền xi măng Vật liệu tổng hợp gốc xi măng thường bao gồm cốt liệu mịn và thô, và có thể được cải thiện bằng các phụ gia như silica fume, latex, sợi ngắn, chất lỏng và chất khử nước, trong khi vật liệu tổng hợp thông minh còn chứa sợi carbon và sợi thép ngắn.
Vật liệu cho máy in 3D cần được kiểm soát và đánh giá các đặc trưng ở cả trạng thái ướt và đóng rắn, bao gồm tính lưu biến, đặc tính ướt, đặc tính cứng và tuổi thọ Tính lưu biến được xem xét dựa trên khả năng bơm và khả năng xây dựng của vật liệu, từ đó đánh giá khả năng in được Những chỉ số này là yếu tố quan trọng để xác định cấp phối vật liệu phù hợp cho công nghệ in 3D.
Khả năng in được của vật liệu bê tông
Khả năng in được đánh giá qua sự kết hợp giữa khả năng bơm và khả năng xây dựng, là chỉ số quan trọng để đánh giá ứng xử của vữa in Chỉ số này ảnh hưởng đến việc kết hợp với đầu in của máy in, giúp tạo ra các lớp in liên tục và được kiểm soát tốt Ngoài ra, khả năng in được còn được xác định qua biến dạng của các lớp vữa chồng lên nhau sau khi in.
1.1.2.1 Khả năng bơm được của vật liệu bê tông
Sau khi trộn, vữa in được đưa vào phễu máy in và được đẩy đến đầu in, nơi nó được ép đùn qua vòi phun Khả năng bơm được định nghĩa là khả năng vận chuyển vữa in dưới dạng sợi liên tục đến vòi phun Hai dạng đầu in phổ biến hiện nay là cơ cấu trục vít và cơ cấu pittong So sánh chi tiết về yêu cầu đặc tính vật liệu dễ chảy và ứng dụng của hai dạng này được thể hiện trong Bảng 1.1, trong khi nguyên lý hoạt động của máy đùn được trình bày trong Hình 1.3.
Bảng 1.1 so sánh đặc tính kỹ thuật của hai dạng đầu in, trong đó trục vít yêu cầu vật liệu liên tục và có thể gặp vấn đề khi sử dụng cốt liệu lớn Vật liệu cần có tính đồng chất, độ loang tốt, độ nhớt phù hợp và tốc độ đông cứng nhanh để đảm bảo ứng dụng hiệu quả.
Phù hợp hơn với vật liệu in chỉ có cốt liệu mịn
Pittong không cung cấp liên tục và dễ bị kẹt tại khu vực chuyển vật liệu từ khoang chứa sang đầu in Độ nhớt và ứng suất chảy cao khiến nó phù hợp hơn với vật liệu in có cốt liệu thô.
Đặc tính lưu biến của vật liệu kết dính thay đổi trong phễu của đầu in dạng trục vít do ảnh hưởng của trục vít và tính chất của vật liệu Đối với đầu in pittong, vật liệu được đẩy bởi pittong phù hợp với hình dạng xylanh, yêu cầu độ lưu động và độ cứng thấp hơn so với đầu in trục vít Tuy nhiên, đầu in pittong gặp khó khăn trong việc đùn vật liệu liên tục, dẫn đến nguy cơ nứt vỡ, tắc nghẽn trong quá trình in Nhiều nghiên cứu đã đánh giá đặc tính dòng chảy và lưu biến của vật liệu, nhấn mạnh rằng trong quá trình in, vật liệu chịu lực ép chảy và lực ma sát bên Lực tạo hình được tính toán dựa trên đặc tính lưu biến của dòng chảy kéo dài, nhưng sự thoát nước của vữa in có thể cản trở dòng chảy khi không đồng nhất.
Cửa cấp liệu Động cơ
Trục vít Đầu in (a) Trục vít
(b) Pittong Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của một số đầu in
1.1.2.2 Khả năng xây dựng được của vật liệu bê tông
Khả năng xây dựng của vữa in được đánh giá qua khả năng chịu tải trọng của lớp vữa sau in và tải trọng từ các lớp phía trên mà không bị sụp đổ trong quá trình in Đồng thời, khả năng duy trì biến dạng hình học của vữa phải nằm trong phạm vi kiểm soát sau khi in Chiều dày lớp vữa in thường từ 1mm đến 10cm, nhằm hạn chế trọng lực ban đầu Ứng suất cắt do trọng lực gây ra cần phải thấp hơn ứng suất chảy của vật liệu kết dính để đảm bảo hình dạng được duy trì Mối quan hệ này được thể hiện qua biểu thức τ(t) > ρgH √ trong tài liệu [26].
Ứng suất chảy tĩnh (τ(t)) được xác định bởi khối lượng riêng của vữa in (ρ), chiều cao lớp vữa in (H), và chiều rộng lớp vữa in (δ) Hệ số Poisson (v) và biến dạng cắt tới hạn (γc) cũng là những yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Biến dạng của lớp vật liệu in có thể dự đoán qua mô hình hóa, hỗ trợ phân tích khả năng xây dựng của vật liệu Khi số lượng lớp tăng, nguy cơ phá hỏng vật thể cũng tăng theo Khả năng xây dựng này phản ánh khả năng liên kết của các lớp vữa in, giúp chống lại sự phá hỏng ở một độ cao nhất định.
Hình 1.4 minh họa các kiểu phá hỏng điển hình của các lớp vật liệu sau in, trong đó ứng suất từ các lớp trên tăng lên cùng với số lượng lớp, dẫn đến nguy cơ sụp đổ do nén ở lớp dưới cùng khi ứng suất vượt quá ứng suất chảy Sự phá hỏng này phụ thuộc vào mối tương quan giữa sự phát triển của ứng suất chảy và sự gia tăng ứng suất, như được thể hiện trong phương trình 1.1.
Sự không phù hợp về mặt hình học trong quá trình in có thể gây hỏng hóc cho vật thể in, chủ yếu do biến dạng lớp tích tụ liên quan đến sự phát triển của mô đun cắt đàn hồi và tốc độ tăng của các lớp Để khắc phục vấn đề này, nên sử dụng các vật liệu cứng với sự gia tăng nhanh của mô đun đàn hồi cho vữa in.
Thứ ba, vật thể sau in là cấu trúc mảnh nên có xu thế phình ra, do áp lực nén
Các kiểu phá hỏng điển hình bao gồm lớp đơn, lớp đáy, sự không đồng dạng giữa các lớp và vật thể bị oằn Để cải thiện khả năng xây dựng của vật liệu in, cần điều chỉnh trạng thái làm việc của nó trước khi in và tiến hành nghiên cứu thêm Khả năng xây dựng được đánh giá qua hình dạng và chiều cao còn lại của mẫu hình trụ; nếu không thấy biến dạng đáng kể sau khi nhấc khuôn ra, có thể kết luận rằng vữa có khả năng xây dựng thích hợp.
Tính lưu biến của vật liệu bê tông
Tính lưu biến là yếu tố quan trọng trong việc xác định sự biến dạng và dòng chảy của vữa in dưới tác động của ứng suất và tốc độ cắt Khả năng chảy của vữa in phụ thuộc vào tốc độ cắt, áp suất chảy và độ nhớt dẻo Các đặc tính như độ chảy, độ nén chặt và độ ổn định của vữa in có thể được đánh giá thông qua các thông số nhiệt học và liên quan chặt chẽ đến tính lưu biến Sự phân tầng, áp suất bơm và chất lượng bề mặt lớp vữa sau in cũng ảnh hưởng đến các đặc tính lưu biến này Việc giảm độ nhớt dẻo giúp giảm áp lực bơm nhưng có thể làm tăng nguy cơ phân tầng, trong khi tăng ứng suất chảy lại làm tăng áp lực bơm Do đó, cần có sự kết hợp hợp lý giữa các thông số lưu biến để đảm bảo bề mặt lớp vữa sau in đạt chất lượng cao mà không bị phân tách và áp suất bơm được tối thiểu hóa Tính chất dẻo của hồ xi măng cũng góp phần giảm áp lực bơm, từ đó nâng cao hiệu quả in ấn.
Tính chất lưu biến là chỉ số quan trọng cho các đặc tính chảy của vữa in, cho phép kiểm soát ứng suất chảy và độ nhớt nhằm tối ưu hóa khả năng chảy Từ đó, có thể mô tả sự phát triển của độ dẻo nhớt và độ đàn hồi của vật liệu dưới ứng suất cắt Ứng suất chảy là yếu tố then chốt trong việc hình thành cấu trúc vữa sau khi lắng đọng, cần đủ để chống lại trọng lực từ các lớp trên Để xác định các thông số lưu biến, máy đo lưu biến thường được sử dụng, nhưng gặp khó khăn do độ cứng và độ kết dính cao của vật liệu in 3D, dẫn đến kết quả không chính xác Thiếu tiêu chuẩn thử nghiệm và không áp dụng được mô-men xoắn cực đại là những hạn chế lớn Để khắc phục, thí nghiệm cắt trực tiếp được đưa ra nhằm xác định đặc tính của vữa in, kết hợp với phép đo lưu biến quay để so sánh và ước tính các thông số lưu biến.
Thiết kế cấp phối vật liệu in
Các phương pháp thiết kế cấp phối vật liệu in 3D cần đáp ứng yêu cầu về khả năng in, liên quan chặt chẽ đến máy in và quy trình in Vữa in 3D khác với vữa thông thường, do đó khả năng in của vật liệu phải được xem xét đầu tiên để đảm bảo thành công trong quá trình in Việc xác định nguyên liệu thô như xi măng và cát là cần thiết để đảm bảo khả năng bơm phù hợp với kích thước vòi phun Thêm vào đó, phụ gia và SCMs như tro bay và silica fume được sử dụng để cải thiện khả năng xây dựng, thời gian đông kết, cường độ và độ nứt nẻ Sự mâu thuẫn giữa khả năng chảy và cường độ của bê tông được giải quyết bằng cách thêm phụ gia siêu dẻo vào hỗn hợp vữa, giúp hạn chế các khuyết điểm.
Một số phương pháp thiết kế cấp phối đã được nghiên cứu, trong đó phương pháp theo độ loang là phổ biến nhất Thiết kế cấp phối vật liệu in theo phương pháp này được hiểu là mối quan hệ giữa các thành phần cấp phối, được biểu diễn dưới dạng hàm số với độ loang là biến số trực tiếp Mối quan hệ giữa độ loang và ứng suất chảy của hồ xi măng được phân tích lý thuyết như sau: τ paste = 225ρgV cone².
Thể tích của hình nón nhỏ (V cone) và đường kính loang (F) của hồ xi măng thường được xác định qua thí nghiệm độ loang của vật liệu Giá trị ứng suất chảy của hồ xi măng có thể được tính toán dựa trên kết quả độ loang thu được từ thí nghiệm.
Theo công thức 1.2, khả năng xây dựng của vữa in phụ thuộc vào ứng suất chảy của hồ xi măng và tỷ lệ cốt liệu trong hỗn hợp Ứng suất chảy của hồ xi măng liên quan đến tính chảy của nó, vì vậy việc chọn loại cốt liệu phù hợp là rất quan trọng để thiết kế hỗn hợp vữa in có ứng suất chảy thích hợp dựa trên độ loang của vật liệu.
Theo TCVN 12209:2018, độ loang của bê tông được đo bằng thước thép hoặc nhựa, xác định đường kính lớn nhất của hỗn hợp bê tông chảy loang với độ chính xác 5mm Tuy nhiên, việc xác định đường kính này bằng mắt thường gặp khó khăn, do đó cần sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc với thiết bị quang học Theo TCVN 3105-93, độ sụt được tính bằng chiều cao trụ chuẩn trừ chiều cao bê tông sau khi lấy trụ ra, đo bằng cm Thông số độ sụt hiện tại chưa đủ để đánh giá khả năng in 3D của vật liệu trong xây dựng, vì vậy cần bổ sung chỉ số để đánh giá hình dạng lớp vật liệu.
Phương pháp đo không tiếp xúc
Thiết bị quét 3D
Để thu thập thông tin ba chiều (3D) của vật thể, việc thu thập dữ liệu hình học chính xác là bước khởi đầu cho quá trình tái tạo bề mặt số Quá trình này bao gồm hai giai đoạn: số hóa và xử lý thông tin hình học Số hóa là bước thu thập dữ liệu bề mặt và chuyển đổi chúng sang dạng số, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của các bước tiếp theo Quá trình số hóa thường tốn nhiều thời gian hơn so với các giai đoạn xử lý sau, do các thuật toán máy tính thực hiện nhanh chóng hơn Vì vậy, để đạt được điểm dữ liệu chính xác và nhanh chóng, các kỹ thuật trong quá trình số hóa đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong những thập kỷ gần đây.
Quá trình số hóa hiệu quả có thể đạt được bằng cách sử dụng một số kỹ thuật
Thiết bị bị động Thiết bị chủ động Máy đo tọa độ Tay máy
Thiết bị không tiếp xúc Thiết bị tiếp xúc Thiết bị quét 3D
Stereo Điện từ Quang học Siêu âm Ánh sáng cấu trúc ToF Laser
Các thiết bị quét 3D được phân loại dựa trên các kỹ thuật khác nhau, mỗi kỹ thuật sử dụng cơ chế vật lý riêng để thu thập tọa độ của các mảnh bề mặt Sơ đồ trong hình 1.5 minh họa sự phân loại này, cho thấy cách mà các thiết bị hiện có hoạt động.
So với thiết bị sử dụng đầu dò tiếp xúc, thiết bị không tiếp xúc không có tiếp xúc cơ học với bề mặt cần đo và tiết kiệm thời gian quét Tuy nhiên, nhược điểm là không xác định được hình dạng của vật thể rỗng hoặc vùng nhỏ trên bề mặt trong suốt Thiết bị không tiếp xúc được chia thành hai nhóm: kỹ thuật chủ động và kỹ thuật bị động Kỹ thuật chủ động chiếu năng lượng lên bề mặt, ghi lại năng lượng truyền hoặc phản xạ và chuyển đổi thành thông tin hình học.
Hiện nay, thiết bị quét 3D quang học được ưa chuộng nhờ khả năng linh hoạt trong việc số hóa bề mặt và cung cấp độ phân giải, độ chính xác cao hơn so với các thiết bị khác Các hệ thống này có khả năng thu thập hàng triệu điểm dữ liệu chỉ trong vài giây, với độ chính xác dao động từ 1 đến 2mm Đặc biệt, độ nhạy của thiết bị không phụ thuộc vào người sử dụng Theo phân loại, các thiết bị quét 3D quang học bao gồm máy quét 3D laser, máy quét 3D ánh sáng cấu trúc và máy quét 3D ToF.
Các thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc hoạt động dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học để thu thập thông tin hình học Khác với máy quét 3D laser sử dụng chùm hoặc dải ánh sáng, thiết bị này sử dụng máy chiếu để chiếu các mẫu ánh sáng mã hóa lên bề mặt đối tượng Hình dạng của đối tượng sẽ làm thay đổi mẫu ánh sáng, và thông qua việc phân tích sự biến dạng của các mẫu ánh sáng được ghi lại bởi camera, thông tin hình học của bề mặt sẽ được xác định.
Thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ đo các chi tiết vi mô trong sản xuất điện tử đến các chi tiết lớn như máy bay và tàu thủy Một nghiên cứu đã sử dụng máy quét 3D Opto-TOP HE Breuckmann trong ngành công nghiệp ô tô, thiết kế và chế tạo lại các khuôn mẫu cho dây chuyền dập vỏ ô tô Quá trình này giúp xác định khoảng cách giữa các vị trí trên dụng cụ và phát hiện lỗi trên các khuôn đã quét Ngoài ra, thiết bị quét còn hỗ trợ kiểm tra chất lượng chi tiết cơ khí dạng tấm trong thời gian ngắn Trong khi dung sai khi đo bằng phương pháp truyền thống thường khoảng 0,5mm, thiết bị quét 3D có thể đạt dung sai chỉ 0,1mm, làm cho nó trở thành công cụ không thể thiếu trong tự động hóa sản xuất trong ngành ô tô.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật ánh sáng cấu trúc đã có những bước tiến vượt bậc nhờ vào sự phát triển của công nghệ hình ảnh và máy chiếu kỹ thuật số, nâng cao độ phân giải và độ chính xác của phép đo Kỹ thuật này cho phép thu thập đám mây điểm của chi tiết trong thời gian thực nhờ vào tốc độ lấy mẫu nhanh Tuy nhiên, tốc độ đo của các thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc vẫn phụ thuộc vào tốc độ chiếu mẫu của máy chiếu, tốc độ thu của máy ảnh và đặc tính phản xạ bề mặt của đối tượng đo Hiện nay, thị trường cung cấp đa dạng máy quét 3D với nhiều tính năng khác nhau.
Ánh sáng 3D cấu trúc của các thương hiệu khác nhau đang ngày càng phổ biến Bảng 1.2 dưới đây trình bày một số thiết bị thông dụng hiện có trên thị trường toàn cầu và tại Việt Nam.
Bảng 1.2: Một số máy quét 3D ánh sáng cấu trúc thương mại
Thông tin chung Đặc tính kỹ thuật Ứng dụng
Tên: ATOS Triple Scan Vùng đo: 850mm × 64mm Giám sát sản xuất
Hãng: GOM Máy ảnh: 2 × 12MP RE
Giá thành: 330000$ Độ phân giải: 0, 04 − 0, 2mm Tạo mẫu nhanh
Khoảng cách quét: 0, 5 − 2m Giả lập số Tên: HDI Advance Vùng đo: 600mm × 600mm Y tế
Hãng: LMI Độ phân giải: 0, 08mm Đồ gỗ mỹ nghệ
Giá thành: 43000$ Độ chính xác: 0, 05mm Chi tiết nhựa
Khoảng cách quét: 0, 4 − 1m Chi tiết cơ khí Tên: Rexcan CS2+ Vùng đo: 400mm × 400mm Tạo mẫu nhanh
Hãng: Solutionix Máy ảnh: 2 và 6MP Phát triển sản phẩm Giá thành: 30000$ Độ phân giải:0, 03 − 0, 71mm Kiểm tra sản phẩm
Kinect v1 của Microsoft có khả năng quét trong khoảng cách từ 0,4 đến 1m, với độ phân giải 640 pixel x 480 pixel và độ chính xác lên đến 4cm Thiết bị này hỗ trợ phân tích di chuyển và theo dõi đối tượng, tạo ra bản đồ 3D trong nhà với độ phân giải 7cm Giá thành của Kinect v1 là 150$.
Xử lý dữ liệu bằng Geomagic Design X
Geomagic Design X là phần mềm tiên tiến giúp xây dựng mô hình CAD từ dữ liệu quét 3D, mang đến quy trình quen thuộc nhưng tiếp cận mới Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng như tạo mẫu nhanh, gia công CNC, phân tích CAE và kết nối với các ứng dụng CAD khác để chỉnh sửa Geomagic Design X cung cấp giải pháp tối ưu cho việc đổi mới trong thiết kế và chế tạo sản phẩm nhờ công nghệ quét 3D Giao diện phần mềm được trình bày trong hình 1.6.
Quá trình thiết kế và giao diện người sử dụng của Geomagic Design X được tối ưu hóa để người dùng phần mềm CAD truyền thống dễ dàng làm quen, giúp tiết kiệm thời gian so với các phần mềm tái tạo hình học bề mặt khác và tạo ra mô hình chất lượng cao.
Hình 1.6: Giao diện của phần mềm Geomagic Design X khối CAD tham số Ưu điểm của phần mềm Geomagic Design X có thể được liệt kê như sau:
• Giảm thời gian học tập thông qua việc sử dụng giao diện của phần mềm CAD/CAM và quá trình thiết kế quen thuộc;
• Một quá trình thiết kế ít tiêu tốn thời gian để làm sạch dữ liệu quét của chi tiết;
• Một giải pháp phần mềm đáp ứng nhu cầu xử lý dữ liệu sau khi quét, tạo lưới bề mặt, và mô hình CAD;
• Một công cụ phân tích độ lệch thời gian thực.
Giao diện và quy trình thiết kế của Geomagic Design X tương tự như các phần mềm CAD/CAM phổ biến, cho phép người dùng áp dụng kỹ năng thiết kế sẵn có để bắt đầu nhanh chóng Các thí nghiệm nội bộ cho thấy Geomagic Design X tiết kiệm thời gian lên tới 80% so với phần mềm tái tạo hình học bề mặt truyền thống, nhờ vào quy trình thiết kế loại bỏ nhu cầu làm sạch dữ liệu quét Việc quét toàn bộ chi tiết không cần thiết, miễn là có đủ dữ liệu để xác định các tham số thiết kế.
Quá trình xử lý thông tin hình học trên phần mềm Geomagic Design X thường sử dụng bốn phương pháp, có thể áp dụng riêng lẻ hoặc kết hợp để đạt được kết quả mong muốn Phương pháp đầu tiên, Mesh Modeling, cho phép tạo lưới bề mặt tối ưu từ dữ liệu quét 3D, bao gồm việc làm sạch khuyết tật, lấp đầy lỗ hổng, sửa đổi hình dạng và tối ưu hóa cấu trúc lưới Phương pháp này cũng hỗ trợ phân tích hình dạng mô hình và tạo nguyên mẫu tham chiếu qua kỹ thuật tạo mẫu nhanh, đồng thời có thể tối ưu hóa lưới cho đồ họa trong hoạt hình hoặc làm dữ liệu thô cho mô hình 3D Hình 1.7 minh họa việc áp dụng phương pháp Mesh Modeling trên Geomagic Design X.
Hình 1.7: Ứng dụng phương pháp Mesh Modeling để tạo lưới bề mặt
Các công cụ tạo lưới tối ưu hóa từ dữ liệu quét 3D được phân loại thành 4 loại khác nhau.
• Công cụ làm sạch được sử dụng để xóa dữ liệu khỏi dữ liệu quét 3D;
Công cụ chỉnh sửa được sử dụng để lấp đầy các lỗ thiếu do nhiều tính năng gây ra và làm mịn độ mấp mô của lưới bề mặt.
(3) để sắp xếp lại biên giới của nó;
Công cụ sửa đổi cho phép người dùng thêm độ dày cho mô hình hoặc điều chỉnh hình dạng của nó thông qua các chức năng như tách, đối xứng, hợp nhất, loại bỏ và giao cắt.
Công cụ tối ưu hóa giúp cải thiện cấu trúc liên kết của các mặt trên lưới bề mặt hoặc tạo lưới kín Đặc biệt, Mesh Buidup Wizard là công cụ lưới bề mặt tiên tiến và thân thiện với người dùng, cho phép tạo nhanh lưới bề mặt hoàn chỉnh và tối ưu từ dữ liệu quét 3D Công cụ này bao gồm bốn giai đoạn, mỗi giai đoạn có thể thực hiện dễ dàng chỉ với vài lần nhấp chuột.
• Giai đoạn chuẩn bị dữ liệu;
• Giai đoạn loại bỏ điểm ngoại lai dạng cụm;
• Giai đoạn đăng ký đám mây điểm;
• Giai đoạn hợp nhất dữ liệu.
Phương pháp Feature Modeling cho phép tạo ra các biên dạng đặc điểm hình học 3D dựa trên ý định thiết kế được trích xuất từ dữ liệu quét 3D Phương pháp này xác định các tham số cần thiết để phát triển các đặc điểm, từ đó tạo ra các tính năng 3D phù hợp với mục đích thiết kế.
Dữ liệu thiết kế cho sản phẩm cuối cùng được chuẩn bị thông qua việc sửa đổi các lần lặp thiết kế và xem xét kết quả trong quá trình phát triển Tất cả dữ liệu thiết kế được quản lý trong một cơ sở dữ liệu duy nhất từ giai đoạn sản xuất đến phân tích và đánh giá Phương pháp Feature Modeling cho phép dễ dàng sửa đổi và xem xét dữ liệu thiết kế, giúp quản lý các đặc điểm thông qua các tham số có thể tái sử dụng, xác định lại và cập nhật Nhờ vào Feature Modeling, thời gian và chi phí phát triển sản phẩm có thể được giảm hiệu quả.
Phương pháp Fitting Surface Modeling cho phép tạo ra các bề mặt tự do phù hợp với hình dạng có đặc điểm hình học phức tạp, mang lại hiệu quả cao trong việc xây dựng mô hình CAD 3D từ hình dạng lưới bề mặt tự do Bằng cách chiếu các điểm đồng nhất lên các vòng cong trên lưới bề mặt, phương pháp này tạo ra các mảnh bề mặt được kết nối để hình thành một mô hình CAD hoàn chỉnh Đây là giải pháp lý tưởng để tạo ra các mô hình 3D có bề mặt tự do với độ chính xác cao từ dữ liệu quét 3D.
Phương pháp Hybrid Modeling cho phép tạo ra mô hình CAD phức tạp từ dữ liệu quét 3D thông qua việc kết hợp Feature Modeling và Fitting Surface Modeling Phương pháp này không chỉ quản lý thông tin hình dạng và các tham số thiết kế từ các mô hình phức tạp mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế sản phẩm mới, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô, nơi yếu tố thẩm mỹ rất quan trọng.
Quá trình số hóa bề mặt 3D sử dụng Kinect v1 và phần mềm Skanect 22
Thiết bị Kinect v1
2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Kinect v1
Trong thập kỷ qua, nhiều thiết bị cảm biến phạm vi mới đã được phát triển với chi phí hợp lý, trong đó Kinect v1, ra mắt vào tháng 11 năm 2010, đã đạt doanh số 24 triệu chiếc tính đến năm 2013, thúc đẩy nghiên cứu trong lĩnh vực thị giác máy tính Kinect v1 được thiết kế để thu nhận chuyển động cho trò chơi trên Microsoft XBOX 360, sử dụng một máy chiếu NIR và hai camera: một camera màu RGB và một camera đơn sắc NIR Máy chiếu NIR hoạt động ở bước sóng 850nm, với khoảng cách giữa trục máy chiếu và camera NIR là 7,5 cm Kinect v1 sử dụng kỹ thuật ánh sáng cấu trúc để cung cấp đầu ra ảnh độ sâu và ảnh màu RGB với cùng độ phân giải ở tần số 30Hz, trở thành một cảm biến phạm vi đáng tin cậy.
Kỹ thuật ánh sáng cấu trúc là một phương pháp quang học chủ động, trong đó các mẫu họa tiết được chiếu tuần tự lên đối tượng Những mẫu này sẽ bị biến dạng theo hình dạng của đối tượng, giúp xác định hình học của nó một cách chính xác.
Kinect v1 bao gồm nhiều bộ phận, được quan sát từ một góc độ khác bởi camera Thông qua việc phân tích sự biến dạng của mẫu họa tiết quan sát được so với mẫu họa tiết ban đầu, thông tin độ sâu có thể được thu thập Nguyên lý hoạt động này được minh họa rõ ràng trong hình 2.2.
Khi nắm rõ các thông số nội của camera, bao gồm tiêu cự và khoảng cách giữa máy chiếu và camera, độ sâu của điểm ảnh (x, y) có thể được tính toán thông qua giá trị chênh lệch m(x, y) Cụ thể, độ sâu được tính bằng công thức d = m(x,y) * b / f, trong đó chênh lệch m(x, y) thường được đo bằng đơn vị pixel.
Máy chiếu Camera đơn sắc hoạt động dựa trên nguyên lý ánh sáng cấu trúc, được chuyển đổi thành đơn vị pixel, với f = f x metric s px, trong đó s px là kích thước điểm ảnh Thông thường, camera và máy chiếu chỉ di chuyển theo chiều ngang, vì vậy các giá trị chênh lệch được biểu thị dưới dạng khoảng cách ngang, với s px được xem là kích thước điểm ảnh ngang Độ sâu và độ chính xác của phép đo độ sâu liên quan đến đường cơ sở, trong đó đường cơ sở dài hơn cho phép đo độ sâu bền vững ở khoảng cách xa.
2.1.2 Mô hình của camera độ sâu
Mô hình pinhole là mô hình hình ảnh camera phổ biến nhất, đại diện cho một phép chiếu phối cảnh đơn giản Hình 2.3 minh họa mối quan hệ hình học của ảnh trong camera, với hệ tọa độ gắn liền bao gồm điểm C, trục x, trục y và trục z, trong đó điểm C đóng vai trò là tiêu điểm của camera.
Cả hai trục x và y của ảnh đều song song với trục X và Y tương ứng Trục quang học của camera, ký hiệu là trục z, vuông góc với mặt phẳng ảnh và giao cắt với nó tại điểm cơ sở O, đóng vai trò là gốc hệ tọa độ ảnh tính bằng milimet Gốc tọa độ ảnh tính bằng pixel nằm ở đỉnh trên bên trái của ảnh I.
Mô hình quan hệ hình học của hình ảnh thiết lập bốn hệ tọa độ đồng nhất, bao gồm hệ tọa độ camera x=(x, y, z, 1) T, hệ tọa độ ảnh trong đơn vị milimet X=(X, Y, 1) T, hệ tọa độ ảnh trong đơn vị pixel p=(v, u, 1) T, và hệ tọa độ thực xw=(x w , y w , z w , 1) T.
Trong mô hình pinhole, vị trí của một điểm trong không gian P được chuyển đổi qua hệ tọa độ camera bằng ma trận quay R và véc tơ dịch chuyển T Qua các mối liên hệ hình học, hệ tọa độ camera sẽ được chuyển sang hệ tọa độ ảnh tính bằng milimet Cuối cùng, tùy thuộc vào số điểm ảnh trong một milimet, hệ tọa độ milimet sẽ được chuyển đổi thành hệ tọa độ ảnh tính bằng pixel Các thông số quan trọng của camera bao gồm tiêu cự f, hệ số tỷ lệ s, và hệ số nghiêng γ, với hình chiếu của f trên trục x là f_x và trên trục y là f_y Từ các mối quan hệ này, ta có công thức sp_i = Mxw, trong đó M là ma trận chuyển vị, được xác định bởi M = MiMe, với M_i là ma trận tham số nội, thể hiện các mối quan hệ của các tham số nội của camera.
; M e là ma trận tham số ngoại, nó được xác đinh bởi vị trí của camera và hệ tọa độ thực: Me =
Các tham số nội của Kinect v1, được sử dụng trong nghiên cứu này, đã được trích xuất từ bộ nhớ trong của thiết bị thông qua Toolbox của phần mềm MATLAB và được trình bày chi tiết trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Các tham số nội của camera độ sâu trong Microsoft Kinect v1
Các tham số nội Giá trị (pixels)
Tiêu cự f x 314, 758 f y 252, 187 Điểm cơ sở u 0 580, 606 v 0 580, 885
Hệ số méo hướng kính Bậc 2 1, 013
2.1.3 Xây dựng đám mây điểm
Dựa trên mô hình camera độ sâu đã trình bày, ảnh độ sâu sẽ được chuyển đổi thành đám mây điểm bằng cách sử dụng các tham số nội của camera Kinect v1 Mỗi điểm ảnh p(v, u) trong ảnh độ sâu tương ứng với một điểm thực P(x, y, z) trong đám mây điểm, theo hệ tọa độ gắn với camera Kinect v1 Với giả thiết γ = 0, chúng ta có thể áp dụng phương trình 2.1 để thực hiện quá trình này.
Tọa độ z là giá trị độ sâu d của điểm ảnh p(u, v) trong ảnh độ sâu đã được xác định ở phần 2.1.1, do đó phương trình 2.2 được biến đổi thành x = u − f u 0 x ã z (2.3) y = v − f v 0 y ã z (2.4)
Phần mềm Skanect
Skanect là phần mềm quét 3D do công ty ManCTL phát triển vào năm 2011, giúp người dùng dễ dàng thu thập mô hình 3D sắc màu của đối tượng, người hoặc không gian Kết hợp với thiết bị Kinect v1, Skanect biến thành một máy quét 3D tiết kiệm chi phí, cho phép tạo ra mô hình 3D từ các cảnh thực chỉ trong vài phút Giao diện của phần mềm rất trực quan và dễ sử dụng.
Phần mềm Skanect nổi bật với khả năng thu thập thông tin 3D dày đặc ở tốc độ lên tới 30 khung hình/giây, khác biệt so với các công nghệ hiện có Bằng cách di chuyển xung quanh thiết bị Kinect v1, người dùng có thể thu thập toàn bộ các điểm quan sát và tạo ra mô hình 3D trong thời gian thực Skanect cung cấp một bộ kịch bản được xác định trước, giúp dễ dàng quét 3D cho nhiều loại cảnh khác nhau, phù hợp với hầu hết các trường hợp sử dụng Sau khi hoàn thành, người dùng có thể dễ dàng chia sẻ các mô hình 3D trực tuyến chỉ với vài bước đơn giản.
Phần mềm Skanect cho phép người dùng quét 3D dễ dàng chỉ với một cú nhấp chuột, không cần kinh nghiệm chuyên môn Skanect có hai phiên bản: miễn phí và trả phí (Pro), cung cấp nhiều tính năng hữu ích cho việc quét 3D.
Chỉnh sửa là quá trình biên tập và điều chỉnh các phần của mô hình thu được, bao gồm việc sử dụng chức năng sửa chữa bề mặt liên tục để điền đầy các lỗ và điều chỉnh các đỉnh nhọn trên bề mặt sau khi quét.
Người dùng có thể nhận hỗ trợ từ thông tin trên cộng đồng diễn đàn, trong khi phiên bản trả phí cho phép họ nhận hỗ trợ trực tiếp từ đội ngũ kỹ thuật của công ty.
Truy xuất cho phép xuất các tệp 3D phổ biến như obj, ply, và stl, cũng như chia sẻ chúng trên các nền tảng trực tuyến Đặc biệt, với phiên bản trả phí, người dùng có thể sử dụng dữ liệu cho các mục đích thương mại.
• In là tính năng in trực tiếp mô hình 3D chỉ dành cho phiên bản trả phí.
Phần mềm Skanect hoạt động hiệu quả nhất trên máy tính có card đồ họa mạnh Để bắt đầu, hãy kết nối thiết bị Kinect v1 với máy tính và bật nguồn trước khi khởi động Skanect, giúp phần mềm nhận diện thiết bị Ở góc trên bên phải màn hình, bạn sẽ thấy các thông tin cần thiết để quá trình quét bắt đầu, bao gồm trạng thái kết nối của Kinect v1, thông tin về card đồ họa và phiên bản Skanect Nếu trạng thái hiển thị màu xanh, thiết bị hoạt động bình thường; nếu màu vàng, có nghĩa là hệ thống đang xác định thông tin.
(a) Trạng thái khởi động (b) Trạng thái làm việc
Hình 2.5: Quá trình khởi động của phần mềm Skanect
Các yếu tố môi trường như vùng làm việc, ánh sáng và sự chuyển động của đối tượng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả quét Đối với vật thể lớn và nặng, cần di chuyển thiết bị Kinect v1 để quét từ mọi góc độ, trong khi vật thể nhỏ có thể xoay mà không cần di chuyển thiết bị Môi trường ánh sáng đồng đều từ mọi phía là lý tưởng cho việc quét, vì Kinect v1 sử dụng ánh sáng hồng ngoại, khiến việc quét ngoài trời vào ban ngày gặp nhiều khó khăn Để đảm bảo dữ liệu chất lượng, các đối tượng nên ở trạng thái tĩnh; nếu có chuyển động, quá trình sắp xếp có thể không hoàn thành hoặc không đạt yêu cầu, mặc dù dữ liệu vẫn có thể chấp nhận được tùy vào tốc độ di chuyển.
Quy trình thu thập dữ liệu
Mỗi thiết bị số hóa cần thông tin đầy đủ để hoạt động hiệu quả Trong các ứng dụng thương mại như Rapid Form, người dùng có thể kiểm soát thiết bị quét thông qua các module cần thiết, từ việc tái tạo lưới đến kiểm tra các bề mặt đã được tái tạo Quy trình quét 3D bắt đầu bằng việc thu thập dữ liệu từ thiết bị Kinect v1 và phần mềm Skanect, như minh họa trong hình 2.6.
Chuẩn bị Khởi tạo Định hình Hiệu chỉnh Truy xuất
Quy trình thu thập dữ liệu bằng Kinect v1 và Skanect bắt đầu với bước Chuẩn bị, trong đó người thực hiện cần thiết lập các thông số như đối tượng quét, vùng làm việc và tỷ lệ khung hình để đảm bảo quá trình làm việc hiệu quả Vùng làm việc nhỏ sẽ giúp quét những vật thể kích thước nhỏ hơn, dẫn đến mật độ điểm cao hơn và bề mặt chi tiết hơn Người thực hiện cũng nên tạo một thư mục chứa dữ liệu, vì phần mềm Skanect sẽ thêm phần mở rộng skn vào các thư mục đã quét, trong đó bao gồm tất cả hình ảnh thu thập được từ Kinect v1, bao gồm cả dữ liệu đám mây điểm 3D của đối tượng Sau khi hoàn tất bước Chuẩn bị, người thực hiện sẽ tiếp tục các bước tiếp theo.
Hình 2.7: Vùng làm việc của phần mềm Skanect vào nút “Start”, quá trình quét sẽ tự động được chuyển sang bước Khởi tạo để bắt đầu quét dữ liệu.
Trước khi ghi dữ liệu, người thực hiện cần điều chỉnh thời gian trễ và thời gian lấy dữ liệu Sau khi thiết lập, nhấn nút “Record” màu đỏ ở góc trên bên trái màn hình để bắt đầu quá trình lấy dữ liệu Trong khi quét, hãy giữ đối tượng trong khung hình và chú ý đến bản xem trước Lưu ý rằng thiết bị Kinect v1 không phát hiện được đối tượng gần hơn 40cm, vì vậy cần duy trì khoảng cách thích hợp Nếu di chuyển quá nhanh hoặc thiếu đối tượng trong vùng làm việc, thiết bị có thể mất khả năng theo dõi Nếu không thể trở lại vị trí và góc chính xác, hãy dừng quét, xóa dữ liệu đã ghi và bắt đầu lại Để thu thập đủ dữ liệu từ các góc chụp khác nhau, có thể di chuyển thiết bị quanh đối tượng hoặc sử dụng bàn xoay Khi toàn bộ đối tượng chuyển sang màu xanh, quá trình thu thập dữ liệu đã hoàn tất.
Sau khi nhấn nút Dừng và chờ máy tính xử lý dữ liệu quét, người dùng sẽ thấy bản xem trước dữ liệu quét lục (hình 2.8) Khi đã thu thập đủ dữ liệu 3D trên phần mềm Skanect, bước tiếp theo là thiết lập đám mây điểm hoàn chỉnh cho đối tượng quét thông qua quá trình Định hình Tại thời điểm này, dữ liệu 3D sẽ tự động tạo ra lưới tam giác, hình thành bề mặt "thô" của đối tượng cần quét.
Trong bước Hiệu chỉnh, các chức năng được giới thiệu trong hình 2.10 Người
Sau khi quét dữ liệu thô, người dùng có thể tái tạo lưới điểm bằng lệnh "Reset" hoặc kiểm tra độ kín của bề mặt bằng lệnh "Watertight" Ngoài ra, bề mặt cũng có thể được biên tập lại thông qua lệnh "External Edit".
Phần mềm Skanect cung cấp các chức năng hiệu chỉnh quan trọng cho mô hình 3D sau khi quét, bao gồm việc loại bỏ các điểm ảnh ngoại lai bằng lệnh Remove Parts và lấp đầy các khoảng trống để tạo ra mô hình hoàn chỉnh Ngoài ra, người dùng có thể gán hoặc loại bỏ màu sắc cho đối tượng quét trong quá trình này.
Cuối cùng, mô hình 3D hoàn chỉnh sẽ được lưu và xuất ra file để sử dụng cho các ứng dụng Dữ liệu 3D có thể được lưu với các định dạng tệp như obj, ply, stl, hoặc chia sẻ trên các nền tảng chia sẻ file 3D trực tuyến.
Kết luận chương 2 32 CHƯƠNG 3 Thực nghiệm xác định kết quả thí nghiệm độ loang
Chương 2 đã nghiên cứu về thiết bị, phần mềm và quy trình thu thập dữ liệu bằng Kinect v1 và Skanect Bằng việc xây dựng mô hình camera độ sâu, cơ sở lý thuyết cho việc tạo hình đám mây điểm của vật thể nói chung và các bề mặt trong thí nghiệm độ loang và đột sụt nói riêng đã được xây dựng Các nghiên cứu đã trình bày trong chương này sẽ được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm trong chương tiếp theo của đề tài.
THÍ NGHIỆM ĐỘ LOANG VÀ ĐỘ SỤT
Chương này trình bày quá trình thực nghiệm nhằm xác định kết quả thí nghiệm độ sụt và độ loang của vật liệu sử dụng trong in bê tông 3D Kết quả thực nghiệm sẽ được phân tích và đánh giá một cách chi tiết.
Chuẩn bị thực nghiệm
3.1.1 Hệ thống thu thập dữ liệu
Trong quá trình thí nghiệm tạo hình bề mặt, thiết bị sử dụng bao gồm Kinect v1 và máy tính cá nhân với cấu hình: bộ vi xử lý Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1505M v5 2.80GHz, bộ nhớ 32GB, và card hình Quadro M1000M Phần mềm Skanect Pro (phiên bản trả phí) được dùng để thu thập dữ liệu từ Kinect v1, trong khi phần mềm Geomagic Design X được cài đặt để xử lý dữ liệu trên hệ điều hành Windows 10 Một bàn phẳng kích thước 2400mm × 1200mm cũng được sử dụng làm bàn thao tác trong quá trình thí nghiệm.
Hình 3.1: Quá trình thu thập dữ liệu thí nghiệm độ loang bằng Kinect v1
Sơ đồ bố trí thiết bị và vật mẫu được thể hiện trong hình 3.1 Trong các thí nghiệm xác định độ loang và độ sụt, Kinect V1 được lắp đặt trên giá đỡ ba chân di động, và các thí nghiệm được thực hiện trên bàn thao tác Ánh sáng chiếu từ đèn huỳnh quang treo trên trần, với khoảng cách tối ưu giữa camera và vật mẫu nằm trong khoảng 500mm đến 1000mm.
3.1.2 Thành phần vật liệu cho cấp phối vật liệu in
Nghiên cứu này sử dụng xi măng Chifon và tro bay từ Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng để tạo thành phần kết dính Bảng 3.1 trình bày thành phần hóa học của xi măng và tro bay, trong đó tro bay của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng được phân loại là loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618.
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay và xi măng
Công thức hóa học Hàm lượng %
Cát vàng được sử dụng trong nghiên cứu là loại cát có sẵn trên thị trường, được sàng lọc với kích thước hạt 2,50mm Sau khi được làm khô, cát được bảo quản trong túi nhựa kín để không làm ảnh hưởng đến tổng lượng nước của hỗn hợp vữa Để tăng tính lưu động của vữa và giảm tỷ lệ nước, phụ gia siêu dẻo SikaPlast-398 SF (SP) được sử dụng, cùng với các đặc tính vật lý được trình bày trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2: Tính chất vật lý của SikaPlast - 398 SF
Tính chất vật lý Phương pháp thí nghiệm Kết quả thí nghiệm Khoảng giá trị Trọng lượng riêng ở 20 ◦ C SK-TM002 1.095 1.085 ÷ 1.105 Độ pH ở 25 ◦ C SK-TM003 5.610 4.500 ÷ 6.500 Độ đặc chắc ở 105 ◦ C SK-TM004 30.600 29.500 ÷ 31.500
Thực nghiệm xác định kết quả thí nghiệm độ loang
3.2.1 Mô tả quá trình thực nghiệm
Mục đích của thực nghiệm là kiểm nghiệm phương pháp đánh giá kết quả thí nghiệm độ loang của vật liệu trong in bê tông 3D Thí nghiệm sử dụng thiết bị Kinect v1 cùng phần mềm Skanect và Geomagic Design X Kết quả sẽ được đánh giá dựa trên thông số đường kính mẫu xác định sau thí nghiệm.
Dựa trên nghiên cứu của nhóm QLAT tại Đại học Hải Phòng, nhóm tác giả đã đề xuất thực nghiệm với ba mẫu cấp phối, sử dụng xi măng Chinfon PC40, tro bay từ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, nước và phụ gia siêu dẻo Sika Visconcrete 3000M Công thức chi tiết của các mẫu này được trình bày trong bảng 3.3.
Bảng 3.3: Thành phần vật liệu trong cấp phối cho thí nghiệm đô loang
Mẫu Xi măng (g) Tro bay (g) Nước (g) Phụ gia (g)
Mẫu cấp phối sẽ được thực nghiệm ba lần, với khoảng thời gian giữa các lần là 5 phút Sau khi trộn đều các thành phần vật liệu, hỗn hợp sẽ được đổ vào côn chuẩn như minh họa trong hình 3.2 Côn chuẩn sẽ được nhấc thẳng đứng trong khoảng 2 đến 3 giây; nếu hỗn hợp bê tông dính vào thành côn, thời gian nhấc sẽ kéo dài đến 10 giây Tổng thời gian thí nghiệm, từ khi đổ hỗn hợp bê tông vào côn đến khi nhấc côn khỏi hỗn hợp, không vượt quá 150 giây.
(a) Hình dạng bên ngoài (b) Hình dạng bên trong
Hình 3.2: Côn chuẩn của thí nghiệm độ loang
Khi hỗn hợp cấp phối ngừng chảy loang, cần tiến hành quét 3D bằng thiết bị Kinect v1 kết hợp với phần mềm Skanect Để đảm bảo quá trình quét diễn ra suôn sẻ, máy tính và thiết bị Kinect v1 phải được khởi động và hoạt động liên tục.
3.2.2 Kết quả thực nghiệm và đánh giá
Sau khi thu nhận 9 đám mây điểm từ 3 mẫu cấp phối, mỗi mẫu được đo độ loang 3 lần, các đám mây điểm được xuất dưới dạng file PLY từ phần mềm Skanect Dữ liệu đo độ loang được xử lý bằng công cụ Measure trong Geomagic Design X, với độ loang được biểu thị qua đường kính loang như minh họa trong hình 3.3 Kết quả xử lý dữ liệu cho các mẫu đo loang được trình bày trong bảng 3.4 Độ loang của vật liệu bê tông trong xây dựng được quy định theo Tiêu chuẩn TCVN 12209:2018, trong đó độ loang được đo bằng thước thép hoặc thước nhựa qua đường kính lớn nhất của hỗn hợp bê tông đã chảy.
Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm độ loang
Lần 1 (mm) Lần 2 (mm) Lần 3 (mm)
Phương pháp đo sử dụng Kinect v1 cho kết quả chính xác hơn trong việc xác định giá trị độ loang của mẫu Mix02 đến 5 mm so với phương pháp thí nghiệm truyền thống Các chỉ số trong từng thí nghiệm được xác định chính xác thông qua việc đo trực tiếp trên mô hình CAD được tạo ra từ quá trình quét 3D.
Thực nghiệm xác định kết quả thí nghiệm độ sụt
3.3.1 Mô tả quá trình thực nghiệm
Mục đích của thực nghiệm là kiểm nghiệm phương pháp đánh giá kết quả thí nghiệm độ sụt của vật liệu trong in bê tông 3D bằng thiết bị Kinect v1, phần mềm Skanect và Geomagic Design X Kết quả sẽ được đánh giá dựa trên hình dạng mẫu và các thông số kích thước xác định Nhóm QLAT, trường Đại học Hải Phòng, đề xuất thực nghiệm với 03 mẫu cấp phối sử dụng vật liệu xi măng Chinfon PC40, tro bay từ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, nước và phụ gia siêu dẻo Sika Visconcrete 3000M, chi tiết công thức được trình bày trong bảng 3.5.
Bảng 3.5: Thành phần vật liệu trong cấp phối cho thí nghiệm độ sụt
Mẫu cấp phối sẽ được thực nghiệm hai lần, cách nhau 15 phút Sau khi trộn đều các thành phần vật liệu, hỗn hợp được đổ vào trụ chuẩn Đầu tiên, chèn hỗn hợp bê tông vào một phần ba của trụ, sau đó đầm chặt mỗi lớp 25 lần bằng thanh thép theo chuyển động tròn mà không khuấy Tiếp theo, thêm hỗn hợp để đánh dấu hai phần ba của trụ và lặp lại quá trình đầm 25 lần Đảm bảo đầm chặt lớp bê tông trước đó và tiếp tục chèn hỗn hợp cho đến khi đầy nón sụt, sau đó lặp lại quá trình đầm 25 lần Nếu hỗn hợp không đủ để đầm nén, dừng lại để thêm hỗn hợp.
Để thực hiện thí nghiệm đo độ sụt bê tông, trước tiên cần sử dụng trụ chuẩn để đảm bảo độ chính xác Sau khi loại bỏ hỗn hợp bê tông thừa ở phần trên của trụ, nâng trụ theo chiều dọc trong khoảng thời gian 5 giây ± 2 giây mà không làm di chuyển mẫu bê tông Sau khi bê tông ổn định, sử dụng thiết bị Kinect v1 kết hợp với phần mềm Skanect để quét 3D Máy tính và thiết bị Kinect phải được khởi động trước và hoạt động liên tục trong suốt quá trình quét, đồng thời quét cần được thực hiện liên tục khi thiết bị di chuyển quanh mẫu để ghi nhận hình dạng chính xác.
Hình 3.5: Một góc chụp của vật mẫu trong thí nghiệm độ sụt
3.3.2 Kết quả thực nghiệm và đánh giá
Sau khi thu thập 6 đám mây điểm từ 3 mẫu cấp phối, mỗi mẫu có 2 lần đo độ sụt, các đám mây điểm được xuất dưới dạng file PLY từ phần mềm Skanect Kết quả thí nghiệm độ sụt được thể hiện qua ba chỉ số: độ sụt chiều cao (h s), chiều cao tiết diện phình lớn nhất (h p), và độ phình tại tiết diện phình lớn nhất (Φ s) của mẫu sau khi rút khuôn Khi nhập dữ liệu vào phần mềm Geomagic, hầu hết các đám mây điểm không trùng với các mặt phẳng tọa độ, gây khó khăn trong quá trình đo Do đó, đám mây điểm sẽ được chuyển đổi hệ tọa độ bằng công cụ Alignment.
Hình 3.6: Dữ liệu đám mây điểm được truy nhập vào phần mềm Geomagic Design X
Việc xử lý dữ liệu đo độ sụt của các mẫu được thực hiện bằng công cụ Measure trong phần mềm Geomagic Design X Kết quả được thể hiện qua ba chỉ số chính: độ sụt chiều cao (h s), chiều cao tiết diện phình lớn nhất (h p), và độ phình tại tiết diện phình lớn nhất (Φ s) Giá trị độ phình ở tiết diện phình lớn nhất lần đo 1 của Mix02 được minh họa trong hình 3.7 Các kết quả xử lý dữ liệu đối với các mẫu đo độ loang được trình bày chi tiết trong bảng 3.6.
Tương tự như giá trị độ loang, giá trị độ sụt được xác định theo TCVN 3105-
Theo tiêu chuẩn ASTM C143-90A, độ sụt được xác định bằng cách lấy chiều cao của trụ chuẩn trừ đi chiều cao của hỗn hợp bê tông sau khi đã lấy trụ chuẩn ra Việc đo độ sụt được thực hiện bằng thước thép hoặc thước nhựa, với đơn vị đo là centimet (cm).
Hình 3.7: Giá trị độ phình ở tiết diện phình lớn nhất lần đo 1 của Mix02
Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm độ sụt
Lần 1 Lần 2 h s (mm) h b (mm) φ b (mm) h s (mm) h b (mm) φ b (mm)
Phương pháp Mix03 5 18 85 3 14 85 được áp dụng để xác định kết quả thí nghiệm độ sụt và độ loang trong lĩnh vực xây dựng, sử dụng Kinect v1 để đạt được kết quả chính xác và chi tiết hơn Các chỉ số trong thí nghiệm được xác định thông qua việc đo trực tiếp trên mô hình CAD, được tạo ra từ quá trình quét 3D Đáng chú ý, kết quả thí nghiệm độ sụt khi sử dụng thước đo thông thường không thể xác định được chiều cao tiết diện phình và độ phình tiết diện phình lớn nhất của mẫu đo.
Kết luận chương 3
Chương 3 đã thực nghiệm được quá trình xác định kết quả thí nghiệm độ sụt và độ loang của thí nghiệm vật liệu dùng trong quá trình in bê tông 3D sử dụng thiết bị Kinect v1, phần mềm Skanect và phần mềm Geomagic Design X Qua kết quả thực nghiệm cho thấy, kết quả thu được là phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp xây dựng nói chung và trong quá trình in bê tông 3D nói riêng Tuy nhiên, cũng qua kết quả thực nghiệm, có rất nhiều vấn đề cần phải được nghiên cứu và phát triển để cải thiện kết quả của quá trình quét như các hệ thống hỗ trợ quét, hỗ trợ rút côn chuẩn và trụ chuẩn, cũng như khả năng cải thiện tính chính xác của các bề mặt sau khi quét.
Với các nội dung nghiên cứu đã trình bày, đề tài này đã đạt được các kết quả chính như sau:
Nghiên cứu này tập trung vào lý thuyết liên quan đến quá trình thực nghiệm nhằm xác định kết quả của thí nghiệm độ sụt và độ loang của vật liệu sử dụng trong in bê tông 3D Các công cụ được sử dụng bao gồm thiết bị Kinect v1, phần mềm Skanect và Geomagic Design X.
Đề xuất quy trình thu thập và xử lý dữ liệu dựa trên lý thuyết nghiên cứu đã được thực hiện thành công qua hai thí nghiệm đo độ loang và độ sụt trong khảo sát vật liệu in bê tông 3D Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp vẫn chưa được trình bày chi tiết trong đề tài này.
Làm rõ sai số trong quá trình thực nghiệm giúp xác định kết quả thí nghiệm độ sụt và độ loang của vật liệu in bê tông 3D Điều này nhằm đánh giá độ tin cậy của phương pháp đã đề xuất một cách rõ nét hơn.
[1] A Perrot, D Rangeard, and A Pierre (2016), “Structural built-up of cement-based materials used for 3D-printing extrusion techniques”, Ma- terials and Structures, Vol 49 (4), pp 1213–1220, issn: 1359-5997.
In their 2017 review, Yi Wei Daniel Tay and colleagues explore the emerging trends of 3D printing within the building and construction industry Published in "Virtual and Physical Prototyping," the article highlights significant advancements and applications of 3D printing technology, emphasizing its potential to revolutionize construction processes The authors discuss various techniques and materials used in 3D printing, as well as the benefits and challenges associated with its implementation in the industry This comprehensive analysis serves as a valuable resource for professionals seeking to understand the impact of 3D printing on modern construction practices.
[3] Guowei Ma and Li Wang (2018), “A critical review of preparation de- sign and workability measurement of concrete material for largescale 3D printing”, Frontiers of Structural and Civil Engineering, Vol 12 (3), pp 382–400, issn: 2095-2430.
[4] Avinash Nair, S D Aditya, R N Adarsh, M Nandan, Manish S Dharek,
B M Sreedhara, Sunagar C Prashant, and K S Sreekeshava (2020),
“Additive Manufacturing of Concrete: Challenges and opportunities”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol 814 (1), p 012022, issn: 1757-8981,doi: 10.1088/1757-899X/814/1/012022.
[5] Nicolas Roussel (2018), “Rheological requirements for printable concretes”, Cement and Concrete Research, Vol 112 (March), pp 76–85, issn:
[6] N Roussel, G Ovarlez, S Garrault, and C Brumaud (2012), “The origins of thixotropy of fresh cement pastes”, Cement and Concrete Re- search, Vol 42 (1), pp 148–157, issn: 00088846.
[7] Raissa Douglas Ferron, Surendra Shah, Elena Fuente, and Carlos Negro (), “Aggregation and breakage kinetics of fresh cement paste”, Cement and Concrete Research, pp 1–10, issn: 00088846.
[8] Ye Qian, Karel Lesage, Khadija El Cheikh, and Geert De Schutter
(2018), “Effect of polycarboxylate ether superplasticizer (PCE) on dy- namic yield stress, thixotropy and flocculation state of fresh cement pastes in consideration of the Critical Micelle Concentration (CMC)”,
Cement and Concrete Research, Vol 107 (February), pp 75–84, issn:
[9] Ye Qian and Shiho Kawashima (2016), “Flow onset of fresh mortars in rheometers: Contribution of paste deflocculation and sand particle migration”, Cement and Concrete Research, Vol 90, pp 97–103, issn:
Ye Qian and Shiho Kawashima (2016) conducted a study on the application of creep recovery protocols to assess the static yield stress and structural rebuilding of fresh cement pastes Their findings, published in Cement and Concrete Research, highlight the importance of understanding the mechanical properties of cement pastes for improved construction materials The research emphasizes the relevance of static yield stress in determining the performance and stability of fresh cement mixtures.
[11] Ye Qian and Shiho Kawashima (2018), “Distinguishing dynamic and static yield stress of fresh cement mortars through thixotropy”, Cement and Concrete Composites, Vol 86, pp 288–296, issn: 09589465.
[12] Ali Kazemian, Xiao Yuan, Evan Cochran, and Behrokh Khoshnevis
(2017), “Cementitious materials for construction-scale 3D printing: Lab- oratory testing of fresh printing mixture”, Construction and Building Materials, Vol 145, pp 639–647, issn: 09500618.
[13] Biranchi Panda, Shaoqin Ruan, Cise Unluer, and Ming Jen Tan (2019),
“Improving the 3D printability of high volume fly ash mixtures via the use of nano attapulgite clay”, Composites Part B: Engineering, Vol 165 (November 2018), pp 75–83, issn: 13598368.
[14] Dimitri Feys, Kamal H Khayat, Aurelien Perez-Schell, and Rami Khatib
(2015), “Prediction of pumping pressure by means of new tribometer for highly-workable concrete”, Cement and Concrete Composites, Vol 57, pp 102–115, issn: 09589465, doi: 10.1016/j.cemconcomp.2014.12.007.
[15] Y Ghasemi, M Emborg, and A Cwirzen (2019), “Effect of water film thickness on the flow in conventional mortars and concrete”, Materials and Structures, Vol 52 (3), p 62, issn: 1359-5997.
[16] Leo G Li and Albert K.H Kwan (2013), “Concrete mix design based on water film thickness and paste film thickness”, Cement and ConcreteComposites, Vol 39, pp 33–42, issn: 09589465.
Delphine Marchon et al (2018) explore the influence of hydration and rheology on concrete used in digital fabrication, highlighting potential admixtures and cement chemistry Their research, published in Cement and Concrete Research, emphasizes the importance of optimizing these factors to enhance concrete performance in innovative construction methods.
[18] Eric P Koehler, David W Fowler, Chiara F Ferraris, and Sofiane Amziane (2006), “A new, portable rheometer for fresh self-consolidating concrete”, American Concrete Institute, ACI Special Publication, Vol. SP-233 (January), pp 97–115, issn: 01932527.
[19] Moncef L Nehdi (2013), “Only tall things cast shadows: Opportunities, challenges and research needs of self-consolidating concrete in super-tall buildings”, Construction and Building Materials, Vol 48, pp 80–90,issn:
[20] Jinglong Gao and Andy Fourie (2015), “Spread is better: An investiga- tion of the mini-slump test”, Minerals Engineering, Vol 71, pp 120–132, issn: 08926875, doi: 10.1016/j.mineng.2014.11.001.
[21] K Khoshelham (2012), “Accuracy Analysis of Kinect Depth Data”, IS- PRS - International Archives of the Photogrammetry, Remote Sens- ing and Spatial Information Sciences, Vol XXXVIII-5/ (May 2012), pp 133–138, issn: 1682-1777, doi: 10.5194/isprsarchives-xxxviii-5-w12 -133-2011.
In their 2019 study published in the Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Bui Van-Bien, Banh Tien-Long, and Nguyen Duc-Toan focused on enhancing the depth accuracy of the Microsoft Kinect v2 The research aimed to improve its application in mechanical part modeling, presenting significant findings that contribute to precision engineering advancements.
In their 2014 study published in Sensors, Xiaojuan Qi and colleagues explored the use of Microsoft Kinect technology for measuring vertical dynamic deflection in concrete beams The research demonstrated the effectiveness of this innovative approach, providing valuable insights into structural health monitoring The findings, detailed in volume 14, issue 2, pages 3293-3307, highlight the potential of Kinect as a tool for enhancing the accuracy and efficiency of deflection measurements in civil engineering applications.
[24] Chunhua Sun and Guangqing Shang (2021), “On Application of MetalAdditive Manufacturing”, World Journal of Engineering and Technology,Vol 09 (01), pp 194–202, issn: 2331-4222.