Nhiều kỹ thuật in bê tông 3D đã được phát triển dựa trên kỹ thuật đắp dần vật liệu (AM). Tuy nhiên, có 2 kỹ thuật in chính: kỹ thuật tơ đầy (extrusion – based technique) hay phương pháp lắng vật liệu (material deposition method - MDM) và kỹ thuật in trên nền bột (power – based technique) hay kỹ thuật chất kết dính (binder jetting).
3.1. Kỹ thuật tơ đầy (extrusion – based technique)
Theo phương pháp này, vữa được bơm tới miệng của vòi in được gắn ở cần trục hoặc cánh tay robot 6 trục để in kết cấu theo từng lớp. Lớp vật liệu vừa được tơ (in) đầy phải có khả năng chịu được trọng lượng bản thân của nó và các lớp kế tiếp cho đến hết mà không bị biến dạng. Kỹ thuật này hướng tới việc áp dụng để thi cơng ngồi hiện trường cũng như thi cơng các kết cấu kích thước lớn có kiến trúc phức tạp. Kỹ thuật này có tiềm năng rất lớn trong việc làm thay đổi hồn tồn cách thức xây dựng truyền thống. Mơ tả cơ bản về nguyên lý của phương pháp này được thể hiện ở hình 17.
Lưu Văn Thực
MSHV: 1612.212 – XDHN1612 Page 25
Hình 17. Nguyên lý in bê tông 3D của phương pháp MDM
Một số hệ thống tự động sử dụng kỹ thuật tô đầy (MDM) để in bê tông 3D:
Contour Crafting (CC)
Contour Crafting (CC) sử dụng một cẩu trục để in các lớp vật liệu, được phát triển bởi Đại học Southern California, Hoa Kỳ. Hệ thống này sử dụng kỹ thuật tô đầy để tạo ra các kết cấu bê tông theo phương đứng. Các thanh thép được đặt vào giữa các lớp vữa (cứ 30cm theo phương ngang và 13cm theo phương đứng). Điểm khác biệt của hệ thống in CC là gắn các thiết bị làm nhẵn bề mặt ở vòi in để làm phẳng bề mặt các lớp vật liệu vừa in (hình 5). Hình 6 là một kết cấu tường bê tông được in bởi hệ thống CC này. Một điểm nổi bật khác của CC là khả năng tích hợp với các phương pháp tự động khác để lắp đặt các đường ống, hệ thống điện, nước. Thách thức của phương pháp này: (1) sự giới hạn chiều cao in theo phương đứng, (2) hệ thống làm nhẵn và ván khn ban đầu có thể phức tạp phụ thuộc vào hình dạng và kích thước đối tượng được in, (3) quá trình in bị ngắt quãng trong phạm vi các lớp vừa được in có thể chịu được áp lực ngang và bề mặt tiếp xúc giữa các lớp bê tơng có thể yếu.
Hình 18. Ngun lý in bê tơng 3D của CC Hình 19. Kết cấu tường in bằng CC In bê tông (Concrete Printing - CP)
Concrete Printing được phát triển bởi nhóm nghiên cứu ở đại học Loughborough, Anh. Kỹ thuật này cũng tương tự như CC, các cấu kiện được tạo ra cũng thông qua việc in liên tiếp
Lưu Văn Thực
MSHV: 1612.212 – XDHN1612 Page 26
các lớp vật liệu, lớp sau dính vào lớp trước để tạo thành thực thể hoàn chỉnh. Tuy nhiên, CP cho phép tạo ra cấu kiện 3D hoàn chỉnh hơn CC, các lớp vật liệu in cũng nhỏ hơn nên cho phép in các cấu kiện có hình dạng phức tạp với độ chính xác cao hơn. Đồng thời CP sử dụng bê tơng cốt sợi cường độ cao nên thuộc tính vật liệu cũng tốt hơn CC
Hình 19 thể hiện một cái ghế băng có kích thước như một chiếc ghế băng thông thường, được in bởi công nghệ in CP. Chiếc ghế dài 2m, cao 0.8m, rộng 0.9m gồm 128 lớp in, mỗi lớp dày 6mm. Chiếc ghế có 12 lỗ trống để làm giảm trọng lượng bản thân và được sử dụng như một thiết bị của tòa nhà
Để tạo ra các kết cấu vươn ra dạng console hoặc kết cấu tự do thì CP yêu cầu các hỗ trợ thêm từ việc sử dụng vật liệu thứ hai. Điểm bất lợi của quá trình này là cần thêm các thiết bị cho q trình dính kết vật liệu do vậy yêu cầu phải làm sạch, bảo dưỡng, hướng dẫn kiểm soát và bề mặt của lớp kết cấu thứ hai phải được làm sạch ngay từ quá trình trước
Hình 20. Ghế băng được in bởi CP
Thách thức của phương pháp này bao gồm: (1) kết cấu được in với kích thước chính xác làm quá trình này diễn ra chậm; (2) mặc dù cơng nghệ này ban đầu nhắm tới việc tạo ra một thế hệ 3D hoàn toàn nhưng việc sử dụng thêm vật liệu thứ hai để hỗ trợ các kết cấu nhô ra có thể làm giảm sự hiệu quả và tính linh động của q trình in trong khi làm tăng chi phí vật liệu; (3) kích thước và hình dạng kết cấu phụ thuộc vào kích thước khung in.
Stick Dispenser (SD)
Stick Dispenser là một thiết bị in đặc biệt được hỗ trợ bằng tay được phát triển bởi Yoshida. Thiết bị này có khả năng sử dụng đũa làm vật liệu chính để in (hình 21). Trong q trình in, đũa được phủ bởi bột lớp keo gỗ, được đẩy rơi xuống một cách ngẫu nhiên để hình thành khối kết cấu rỗng dạng tổ ong. Q trình thi cơng sử dụng SD được hướng dẫn nhờ một camera và một máy chiếu. Các lớp hỗn hợp keo – đũa được in liên tiếp lên nhau tương tự như nguyên tắc của MDM. Quá trình in phải được diễn ra trong điều kiện ánh sáng thấp vì hoạt động của camera dựa trên các mã màu đơn giản. Hình 8b thể hiện một sản phẩm ứng dụng
Lưu Văn Thực
MSHV: 1612.212 – XDHN1612 Page 27
của kỹ thuật này. Các đặc trưng cơ học của kết cấu này được xác định thơng qua các thí nghiệm tải khác nhau. Kết quả của các thí nghiệm chỉ ra rằng, kết cấu được tạo ra từ kỹ thuật SD khơng có khả năng chịu tải tuy nhiên đây là một cải tiến trong q trình thi cơng các thiết kế kiến trúc phức tạp với mục đích thẩm mỹ.
Hình 21. Kỹ thuật in Stick Dispenser và ứng dụng 3.2. Kỹ thuật in trên nền bột (Powder – based technique)
Kỹ thuật in trên nền bột hay BJ là một quá trình in 3D tạo ra thực thể bằng cách rải từng lớp chất kết dính (mực) lên trên nền cốt liệu là bột. Chất kết dính được phun ra ở dạng tia nhỏ lên trên một lớp mỏng vật liệu bột, qua đó kết dính lớp cốt liệu bột thành hỗn hợp dạng “vữa”. Thực thể được chia thành các lớp mỏng diễn giải dưới dạng 2D, quá trình này in ra các lớp 2D đó và đồng thời kết dính các lớp lại với nhau. Qúa trình được lặp lại cho đến khi thực thể 3D hồn thành.
Mơ tả cơ bản về nguyên lý hoạt động của phương pháp này được thể hiện ở hình 22. Khởi đầu, con lăn sẽ lăn và đẩy 1 lớp bột (dày khoảng 3mm) lên bề mặt của khu vực sẽ in thực thể (lớp bột đệm). Sau đó, một lớp bột mỏng ( khoảng 0.1mm) sẽ được rải và làm nhẵn bề mặt nhờ con lăn lăn trên nền lớp bột đệm. Kế tiếp, chất kết dính (mực) sẽ được in lên lớp bột này qua đầu in và dính kết vật liệu bột thành thực thể. Chiều dày các lớp bột được xác định dựa trên khả năng thẩm thấu của chất kết dính, đảm bảo chất kết dính thẩm thấu được đủ sâu dính được lớp vật liệu mới với phần thực thể đã được in.
Lưu Văn Thực
MSHV: 1612.212 – XDHN1612 Page 28
Vật liệu bột khơng được kết dính cịn lại (bột nền) ở bên ngồi khối thực thể sẽ được sử dụng để hỗ trợ cho quá trình in lớp tiếp theo. Vật liệu này sẽ được lấy lại bằng một máy hút làm sạch sau khi in và có thể sử dụng để in kết cấu khác. Phương pháp này cho phép thiết kế có những lỗ trống, kết cấu vươn dạng console, cho phép in chính xác những hình dạng phức tạp. Đây là ưu điểm nổi bật của BJ so với MDM. Các nhà nghiên cứu tin tưởng rằng phương pháp này phù hợp với việc in các cấu kiện của tòa nhà như tấm panel, các kết cấu bên trong ngôi nhà như cột, dầm.