Công nghệ in 3D trong xây dựng

Công nghệ in 3D hiện nay là công nghệ in được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong các ngành nghề. Từ thời trang, y khoa, nha khoa tới hàng không vũ trụ. Tất cả các ngành nghề đều đã và đang sử dụng công nghệ in 3D thay thế các công nghệ sản xuất truyền thống. Trong lĩnh vực xây dựng cũng vậy, công nghệ in 3D trong xây nhà hiện nay đang được nhiều đơn vị thiết kế thực hiện, đảm bảo ngôi nhà chính xác đến từng chi tiết

Từ đầu thế kỷ XX, tự động hóa sản xuất đã phát triển ở hầu hết các lĩnh vực. Ứng dụng tự động hóa trong xây dựng gặp trở ngại bởi phương pháp xây dựng, số lượng các sản phẩm hoàn thiện rất nhỏ so với các ngành khác, các thiết bị đắt tiền làm giảm tính hấp dẫn về kinh tế và những hạn chế về vật liệu để có thể tự động hóa trong sản xuất. Ngành Xây dựng hiện nay cũng phải đối mặt với nhiều vấn đề như năng suất lao động thấp, tỷ lệ tai nạn lao động cao, tính phức tạp của việc giám sát quá trình thi công, thiếu công nhân lành nghề…

Có thể thấy, ngành Xây dựng là một trong những ngành tiêu thụ nhiều nhất tài nguyên không tái tạo và nguyên vật liệu tự nhiên trên thế giới. Công nghệ in 3D (công nghệ sản xuất đắp dần) đã giúp cho việc mở rộng không gian phát triển năng động cho nhiều lĩnh vực sản xuất. In 3D giúp cho công nghệ mới phát triển trong phòng thí nghiệm đạt được tầm cao mới. Công nghệ in 3D là tên gọi chung của các công nghệ sản xuất sản phẩm dựa trên dữ liệu của mô hình số (hoặc CAD) theo phương pháp đắp dần các lớp vật liệu. Các công nghệ tổng hợp từng lớp có thể là sự đột phá đối với các cấu trúc được làm từ vật liệu gốc xi măng.

Các công nghệ in 3D trong xây dựng

Hiện nay, các công nghệ in 3D (từ in 3D các mẫu và tạo mẫu nhanh, tới chế tạo các sản phẩm hoàn thiện cho các ngành công nghiệp khác nhau) ngày càng thu hút nhiều nhà đầu tư. Tính hấp dẫn của các công nghệ in 3D được nâng cao bởi nhiều yếu tố: mức độ tự động hóa sản xuất cao, cải thiện chất lượng sản phẩm, đẩy nhanh quá trình xây dựng, khả năng tối ưu hóa các mô hình CAD, giảm phế thải sản xuất. Những yếu tố đó là cơ sở để chuyển đổi thành công sang khái niệm “các nhà máy số” trong tương lai. Cuộc cách mạng số xem xét công nghệ số trong thiết kế, chế tạo, thử nghiệm, cũng như in 3D các chi tiết, phụ kiện và chế phẩm nói chung. Theo phương pháp tạo lớp, có thể chia ra hai nhóm - Bed Deposition và Direct Deposition.

Bed Deposition là loại công nghệ sử dụng vật liệu dạng bột tại vị trí làm việc. Việc tạo hình sản phẩm theo từng lớp nhờ nguồn nhiệt - laser (SLM), chùm electron (EBM) hay ánh sáng (DLP, SLA) hoặc chất kết dính (Binder Jetting), phù hợp với mô hình CAD. Phần bột thừa được loại bỏ, sàn làm việc được thay thế, và quy trình được lặp lại.

Direct Deposition là phương pháp tạo hình, trong đó vật liệu được cấp trực tiếp tới vị trí xây dựng phù hợp với mô hình CAD.

Thông thường, chi phí cho công tác cốp pha chiếm từ 35 - 60% tổng chi phí của kết cấu bê tông. Khả năng xây dựng các kết cấu bê tông không cần cốp pha là một lợi thế quan trọng vì giảm được chi phí, đẩy nhanh tiến độ thi công, tạo ra sự linh hoạt về kiến trúc, cũng như tạo thuận lợi cho việc lắp đặt các thiết bị tiện ích. Công nghệ in 3D được xếp vào nhóm công nghệ xanh, do quá trình sản xuất hầu như không phát sinh phế thải. Khả năng tự động hóa cao và robot hóa quá trình sản xuất cho phép việc thực hiện dự án trong môi trường khắc nghiệt mà không gây tác hại đến sức khỏe của người lao động.

Một trong những người đầu tiên đưa ra ý tưởng về tự động hóa quá trình xây dựng là GS. Joseph Pena - khoa Chế tạo máy, trường Đại học Stanford (Mỹ). Ông là người đề xuất sử dụng vật liệu gốc xi măng cho giải pháp đắp lớp trong xây dựng. GS.Berokh Hoshnevis (Đại học Nam California, Mỹ) là người đã đề xuất ý tưởng hiện thực hóa công nghệ in 3D trong xây dựng. Vào giữa thập niên 90 thế kỷ XX, ông đã đề xuất công nghệ cải tiến Contour Crafting (CC).

CC là một trong các công nghệ xây dựng bằng in 3D, có thể sử dụng để thi công các công trình quy mô lớn. GS. B. Hoshnevis khẳng định CC cho phép in vài công trình với mỗi lần chạy và có thể sử dụng các vật liệu polymer, đất sét làm đồ gốm và bê tông. Trong quá trình đùn vật liệu, các tay bay được lắp ở đầu vòi cấp vật liệu giúp cho bề mặt sản phẩm được phẳng phiu. Chiều cao mỗi lớp được giới hạn bởi kích thước của bay. Ngoài ra, cần lựa chọn làm sau để khi trải lớp trên thì lớp dưới đã đóng rắn và có đủ cường độ chịu tải. Sử dụng công nghệ CC cho phép thiết kế các hệ thống thông tin liên lạc trong khoang rỗng của tường, gắn các thiết bị đặc biệt vào khung, có thể tự động hóa việc lắp đặt.

Một thời gian sau công bố công nghệ CC của Hoshnevis, một công nghệ khác đã được giới thiệu với thế giới - công nghệ in bê tông (concrete printing - CP). CP lần đầu tiên được Richard Baswell và các cộng sự tại Đại học Loughborough (Vương quốc Anh) giới thiệu vào năm 2009 để trình diễn những khả năng tiềm tàng của công nghệ này. Kể từ đó, công nghệ đã nhanh chóng thu hút một lượng “tín đồ” đáng kể trong lĩnh vực xây dựng. Về bản chất, công nghệ này tương tự CC, có nghĩa là phun từng lớp vữa xây dựng. Khác biệt căn bản so với CC là: trong công nghệ CP không có các bay trên máy đùn, điều này giúp thực hiện các đường viền chu tuyến phức tạp hơn về mặt hình học. Chính nhờ đặc điểm này, CP được xem là giải pháp tiềm năng nhất trong xây dựng, bởi vì tạo ra các tòa nhà /công trình đồng dạng đang trở thành một xu hướng ngày càng được ưu tiên và có nhu cầu nhiều hơn. Nhược điểm ở chỗ: do không có các bay trên máy đùn, sẽ cần phải gia công bề mặt của công trình được in.

Công nghệ DShape (tác giả là Enrico Dini - Tập đoàn Monolith, Anh) về mặt lý thuyết có sự khác biệt rõ rệt so với các công nghệ in 3D khác. Quá trình in bằng công nghệ này được chia thành 3 giai đoạn:

- Tạo mô hình 3D của công trình;

- Xây dựng công trình;

- Thực hiện bước gia công cuối cùng.

Khác với các phương pháp được mô tả ở trên, máy đùn cấp vữa xây dựng ở dạng chưa hoàn chỉnh, và chất kết dính cho cát hay cácvật liệu dạng bột khác. Ở giai đoạn in, một lớp vật liệu dày 5-10 mm được trải đều lên khu vực cần in. Sau đó, sử dụng chất kết dính phủ lên trên bề mặt. Tiếp theo, một lớp vật liệu có bề dày cần thiết lại được rải đều, và quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi công đoạn in hoàn tất.

Công nghệ DShape gần như tương đồng với công nghệ Binder Jetting. Một ví dụ xuất sắc của DShape là bức tượng điêu khắc “Radiolarias” được in từ năm 2009. Vật liệu cho bức tượng là sa thạch nhân tạo, và vữa có bổ sung oxit magne được sử dụng làm chất kết dính. Vật liệu tạo ra đủ cường độ để chịu được khối lượng toàn bộ kết cấu và hoàn toàn vô hại đối với môi trường xung quanh. Bởi tất cả các vật liệu đều tự nhiên và chỉ qua sơ chế không đáng kể nên sản phẩm cuối cùng rất tự nhiên. Hiện tại, khả năng áp dụng công nghệ này cho vật liệu đá mặt trăng (moonstone) – regolith đang được xem xét. Dự kiến với các kết quả nghiên cứu tích cực trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, DShape trong tương lai sẽ được ứng dụng để in các công trình trong không gian.

Nhược điểm căn bản khi ứng dụng công nghệ Dshape trong xây dựng là chỉ có thể in các công trình có kích thước nhỏ. Hạn chế này liên quan đến các đặc tính của cát và các vật liệu tương tự được sử dụng để in. Như vậy có thể kết luận với trình độ công nghệ hiện nay, để in các yếu tố trang trí khác nhau thì công nghệ Dshape sẽ phù hợp hơn là để xây các tòa nhà / công trình.

Cách hoạt động của in 3D trong xây dựng

In 3D trong xây dựng có 2 cách hoạt động là in cả một căn nhà thành một khối và in từng bộ phận sau đó lắp ráp

In nhà 3D bằng một khối bằng máy in 3D khổng lồ

Đây là một phương pháp in khá phức tạp vì để in được một ngôi nhà lớn thì cần phải có một máy in bao quát được cả ngôi nhà đó. Và thực tế đã có những máy in cao tới 6 mét và dài gần 40 mét được lắp đặt và xây dựng thành công. Việc in nguyên căn nhà kiểu này khá phức tạp về giai đoạn lắp đặt máy in nhưng bù lại ngôi nhà sẽ rất chắc chắn vì là một khối hoàn chỉnh, không cần mối ghép, lại đỡ tốn nhân sự lắp ráp sau này.

In nhà 3D lắp ráp

So với phương pháp in nguyên căn nhà thì phương pháp in từng bộ phận này phổ biến hơn rất nhiều vì sự linh động và không cần đến máy in 3D cỡ lớn. Bằng cách in nhiều bộ phận sau đó ghép lại với nhau như bộ xếp hình lego thì rất nhiều căn nhà đã được xây dựng thành công trên toàn thế giới. Phương pháp này tuy hơi tốn thời gian về khâu thiết kế các bộ phận nhưng có thể sản xuất hàng loạt và linh hoạt.

Ưu nhược điểm của in nhà 3D so với xây dựng truyền thống

Ưu điểm

• Thời gian xây dựng
• Cần ít nhân công
• Vật liệu đa dạng
• Tiết kiệm chi phí
• Công trình có tính nhất quán

Nhược điểm

• Giá thành thiết bị cao do chưa có sản xuất hàng loại
• Thị trường vật liệu dành cho in 3D chưa phát triển

Tương lai rộng mở với công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D trong xây dựng đã bắt đầu được các thành phố lớn áp dụng rộng rãi và hứa hẹn một tương lai tươi sáng. Thành phố Dubai cố gắng đến năm 2030 sẽ có 25% công trình xây dựng được hoàn thành nhờ công nghệ in 3D. Ở Việt Nam thậm chí tốc độ phát triển sẽ còn nhanh hơn vì cơ sở hạ tầng còn chưa hoàn thiện. Đây chính là cơ hội lớn để ngành in 3D có cơ hội thể hiện và thay thế phần nào ngành công nghiệp xây dựng truyền thống.

Với nhiều thời gian thi công nhanh, tiết kiệm nhân lực và chi phí, công nghệ in 3D sẽ sớm phổ biến tại Việt Nam. Tốc độ phát triển và ứng dụng của công nghệ này cũng sẽ quyết định rất lớn đến định hướng ngành xây dựng của Việt Nam cũng như toàn thế giới.