Cấu kiện được hình thành thơng qua quá trình in dần từng lớp vữa bê tông tươi (mortar) . Vữa bê tông được trộn sẵn trong hệ thống trộn, vận chuyển qua hệ thống ống bơm đến miệng của đầu in và được in qua sự thao tác của các cánh tay robot hoặc hệ thống cần trục. Vữa được bơm bởi hệ thống máy bơm đặt độc lập. Thông qua hệ thống điều kiển, tốc độ bơm vữa và tốc độ di chuyển của robot cũng như cần trục được kiểm soát đồng thời để tạo ra lớp vữa có kích thước như thiết kế (hình 2). Tốc độ bơm và tốc độ hoạt động của robot có ảnh hưởng quyết định đến cường độ, khả năng kết dính các lớp vữa và khả năng thi công. Chi tiết đầu in và các lớp in được thể hiện ở hình …Kết cấu được thiết kế giống như một thực thể đang ở trong khơng gian nhờ một chương trình phần mềm mơ hình hóa 3D. Kế tiếp, thực thể được xử lý bằng cách cắt thành các lớp phù hợp với chiều dày lớp vật liệu sẽ in và diễn giải dưới dạng các lớp 2D. Tính chất lưu biến của bê tơng tươi phải cho phép bê tông đùn được qua họng in đến vòi phun để tạo thành các lớp sợi bê tông nhỏ như thiết kế. Khi các sợi này được rải, chúng liên kết cùng với nhau để tạo một lớp và kết hợp với các lớp trước đó tạo kết cấu 3D. Ảnh hưởng của kích thước vịi đến q trình in, chất lượng lớp in cũng như thực thể in được nghiên cứu ở tài liệu 13. Hình 15 thể hiện một hệ thống in bê tông 3D thực tế ở Đại học Công nghệ Eindhoven, Hà Lan.
0-Hệ thống điều khiển; 1-Kiểm soát robot; 2-Kiểm soát cần in; 3-Cánh tay robot; 4- Đầu in; 5-Xúc tác đẩy nhanh; 6-Hệ thống bơm xúc tác; 7-Hệ thống bơm vữa; 8-Hệ thống trộn
vữa; 9-Đối tượng tạo ra
Hình 15. Ngun lý hoạt động của cơng nghệ in bê tơng 3D
Hình 16. Máy in bê tơng 3D ở đại học công nghệ Eindhoven, Hà Lan 2. Tiềm năng và thách thức
So sánh với bê tơng truyền thống, cơng nghệ in 3D mang trong nó rất nhiều tiềm năng để cải tiến, thay đổi tích cực, thậm chí làm mới hồn tồn cách thức xây dựng hiện nay:
Giảm chi phí xây dựng vì cơng nghệ này khơng cần ván khuôn, cấu kiện được in trực tiếp.
Giảm tỉ lệ tai nạn và thương vong. Sử dụng công nghệ này, công nhân sẽ không phải làm việc trên cao mà thay vào đó là các cánh thay robot và cần trục. Khơng cịn cơng tác lắp dựng và tháo dỡ ván khuôn. Bê tông sẽ được chuẩn bị, trộn ở dưới chân cơng trình, vận chuyển đến vị trí thi cơng thơng qua hệ thống ống bơm. Do đó, sẽ làm tăng mức độ an tồn cho công trường.
Tạo ra các công việc liên quan đến cơng nghệ, tự động hóa. Cơng nhân sẽ khơng làm việc trực tiếp với kết cấu mà sẽ thông qua hệ thống điều khiển. Sẽ có một luồng chuyển dịch cơ cấu lao động, giảm lượng công nhân làm trực tiếp trên công trường, tăng lượng công nhân cho công tác điều khiển, vận hành.
Giảm thời gian xây dựng. Q trình thi cơng diễn ra với tốc độ liên tục và dự báo được trước vì q trình thi cơng được thực hiện bằng máy móc.
Tối thiểu hóa nguy cơ xảy ra sai sót nhờ việc in chính xác bằng máy.
Phát triển bền vững ngành xây dựng bởi khơng có rác thải từ ván khn, vật liệu và q trình xây dựng. Đặc biệt việc in chính xác bê tơng từ các vịi in đảm bảo hạn chế tối đa lượng vật liệu rơi vãi, dư thừa.
Kiến trúc có thể tạo ra hình dạng bất kỳ. Điều này sẽ thay đổi hoàn toàn diện mạo ngành xây dựng.
Bằng việc in trực tiếp các hình dạng phức tạp, công nghệ này sẽ tạo ra một cách thức thiết kế cấu kiện hoàn toàn mới: cấu kiện vừa là kiến trúc, vừa là kết cấu cho cơng trình.
3. Các công nghệ in bê tông 3D và ứng dụng
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.
Hình 17. Ngun lý in bê tơng 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
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 q 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 nhơ 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. Quá 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
của kỹ thuật này. Các đặc trưng cơ học của kết cấu này được xác định thông 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 hoàn thành.
Mô 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.
Vật liệu bột khơng được kết dính cịn lại (bột nền) ở bên ngoài 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.
4. Một số ứng dụng in bê tông 3D thương mại
Năm 2014, công ty Winsun Trung Quốc đã cho xây dựng chuỗi 10 ngôi nhà đơn giản sử dụng kỹ thuật in này chỉ trong vịng 1 ngày với diện tích khoảng 195 m2 và giá thành 4800 US trên một căn. Winsun đã sử dụng một máy in 3D cỡ lớn, 15 x 10 x 6.6m để in các cấu kiện riêng lẻ sau đó vận chuyển và lắp ghép ngồi cơng trường.
Năm 2015, Winsun cho xây dựng một ngôi nhà 5 tầng với diện tích 1100 m2 áp dụng cơng nghệ thi công lai ghép kết hợp. Các kết cấu chịu lực nén theo phương đứng được in bằng công nghệ in bê tông 3D trong khi sàn được đổ toàn khối theo phương pháp truyền thống. Đây cũng là tòa nhà cao nhất được xây dựng bằng công nghệ in 3D. Mực in được sử dụng cho cơng trình bao gồm rác thải xây dựng, xi măng, chất kết dính làm khơ bê tơng trong vịng 24h, thép kết cấu ở dạng sợi hoặc các thớ sợi polymer.
Năm 2016, Winsun tiếp tục cho xây dựng một tòa nhà văn phòng tại Dubai, UAE rộng 250 m2 sử dụng một máy in 3D có kích thước 36.6 x 12.2 x 6.1 là một cánh tay robot (hình 23c)
Hình 23. Dự án áp dụng cơng nghệ in 3D bởi Winsun
Tháng 9 năm 2016, công ty Apis Core Nga đã xây dựng ngơi nhà đầu tiên hồn tồn bằng công nghệ in 3D sử dụng một máy in di động (hình 24). Ngơi nhà rộng 38 m2 được in trực tiếp ngồi hiện trường chỉ trong vịng 24h với tổng chi phí là 10134 US.
Tại Thái Lan, nhóm nghiên cứu giữa Super Studio và Siam Cement Group đã hợp tác cùng nhau và cho xây dựng một kết cấu gian trưng bày “Y-Box Palivilion, 21st centrury cave” (hình 24) cao 3m sử dụng một máy in 3D Bigdelta Wasp cao 4m. Các cấu kiện được in
ở nhà xưởng sau đó vận chuyển đến và lắp ghép. Chi phí cho kết cấu này là xấp sỉ 28000 US.
Hình 24. Máy in di động (b), ngơi nhà sau khi
hồn thành (a) và nội thất trong nhà (c)
Hình 25. Kết cấu gian hàng Y-Box
Palivilion, 21st centrury cave
Kỹ thuật D – Shape được nghiên cứu và phát triển bởi Enrico Dini sử dụng kỹ thuật BJ để lắng đọng chất kết dính trên đệm cát kích thước lớn. Cát và xi măng Magnesium oxychloride là vật liệu bột và chất kết dính được Enrico sử dụng. Năm 2008, Shiro Studio và D – Shape đã kết hợp với nhau để tiến hành in kết cấu Radiolaria, với kích thước 3 x 3 x 3 m (hình 12a). Mục đích của Radiolaria là để chứng minh khả năng thi cơng hình dạng phức tạp của D – Shape. Tuy nhiên, kỹ thuật này rất dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết và khó để ứng dụng thi công. Năm 2010, D – Shape tiếp tục in ngôi nhà Ferreri với kích thước 2.4 x 4.0m. q trình in ngơi nhà diễn ra trong vòng 3 tuần.
Kỹ thuật EO được phát triển ở Mỹ sử dụng kỹ thuật in trên nền bột sử dụng chất kết dính là xi măng composite độc quyền. EO đã được sử dụng để in một bông hoa Bloom Bông hoa cao 2.74m đứng tự do với kích thước ở chân là 3.66m được xếp từ 840 khối in 3D tùy biến. Một ứng dụng khác của kỹ thuật này là sản xuất ngôi nhà Shed. Ngôi nhà là một nguyên bản in 3D điển hình được thi cơng bởi Picoroco Blocks TM. Các bức tường được in từ cát có kích thước 0.3 x 0.3 x 0.3 m. Hình 26. Một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật D – Shape Hình 27. Một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật EO
Tài liệu tham khảo
1. Lê Kiều, Nguyễn Duy Ngụ, Nguyễn Đình Thám: Cơng tác đất và thi cơng. Bêtơng tồn
khối, Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, 2005
2. Đỗ Đình Đức, Lê Kiều. Giáo trình Kỹ thuật thi cơng (Tập 1). NXB Xây dựng, Hà Nội
2010.
3. Nguyễn Viết Trung (2002), Công nghệ bê tông tự đầm và khả năng áp dụng áp dụng trong
xây dựng cầu dây xiên, Báo cáo đề tài KHCN, Trường Đại học giao thơng vận tải.
4. Hồng Phó Un, Nguyễn Quang Bình (2007), Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ bê tơng tự lèn vào cơng trình Thủy lợi, ĐH Thủy lợi.
5. Chris I.Goodier (2003), Proceedings of the institution of Civil engineers Structures & Buildings 156, Development of self - compacting concrete, Loughborough University Institutional Repository, ICE Publishing
6. Hồ Ngọc Khoa (2015) Ảnh hường của thời gian lưu giữ đến tính cơng tác BTTL, Tạp chí
Xây dựng – BXD, số 1-2015, Hà Nội.
7. Nguyễn Văn Chánh (2009), Bê tông tự lèn sản xuất kiểm nghiệm và thi cơng, Tạp chí phát