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.
Trở ngại lớn nhất đối với việc phổ biến công nghệ in 3D ở Nga là việc thiếu các tiêu chuẩn quốc gia về sản xuất theo phương pháp đắp dần, đặc biệt là các tiêu chuẩn về yêu cầu chung và riêng của vật liệu, kết cấu, công nghệ, thiết bị, kiểm soát chất lượng, quản lý các tính năng và quy trình sản xuất theo phương pháp đắp dần. Cục Quy chuẩn kỹ thuật và Đo lượng Liên bang Nga đã ban hành Quyết định số 1013 ngày 1/9/ 2015 “Về việc thành lập Uỷ ban Kỹ thuật về Tiêu chuẩn hóa các công nghệ in 3D”. Mục tiêu chính là tập trung và phối hợp các nỗ lực nhằm xây dựng một giải pháp tổng thể cho việc phát triển các công nghệ in 3D, hệ thống tiêu chuẩn quốc gia (phân loại vật liệu, yêu cầu về chất lượng nguyên liệu, kết cấu, công nghệ, thiết bị, thống nhất các định dạng mô hình máy tính).
Để sử dụng công nghệ đắp dần trong xây dựng, cần phải phát triển và nghiên cứu các vật liệu mới sử dụng cho in 3D. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu hiện đang gặp khó khăn trong việc lựa chọn vật liệu. Sự tương tác cơ bản của công nghiệp 4.0 (thiết kế - vật liệu - công nghệ) chưa được ứng dụng nhiều trong ngành Xây dựng.
1. Tổng quan về các tài liệu và thuật ngữ
Thuật ngữ công nghệ sản xuất đắp dần “additive manufacturing” đã xuất hiện từ hơn hai thập kỷ qua. Năm 1986, thiết bị tạo ra các vật thể 3D theo phương pháp khắc hình lập thể (Stereolithography) đã được cấp bằng sáng chế. Cho đến nay, công nghệ in 3D đã và đang được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất. Đã có nhiều dự báo về mức độ phát triển của công nghệ in 3D trong nhiều công trình nghiên cứu trong thập kỷ qua..
Hiện nay, các nghiên cứu khoa học nhằm giải quyết các vấn đề của công nghệ in 3D trong xây dựng đang được thực hiện tại nhiều viện nghiên cứu trên toàn thế giới. Đã có rất nhiều bằng sáng chế được cấp cho các sản phẩm vữa xây dựng (dành cho các máy in 3D), máy in và công nghệ in 3D.
2. 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.
4. Phân tích các thành phần cấp phối để in 3D trong xây dựng
Hiện nay, các vật liệu được ứng dụng cho công nghệ in 3D khá phong phú – các loại polymer và cao su khác nhau, bột thép, hợp kim titan, niken, nhôm, đồng, ceramic, composite nano, composite sinh học. Phần lớn các vật liệu này được sử dụng trong chế tạo máy, hàng không và công nghiệp ô tô, sản xuất hàng tiêu dùng và thiết bị y tế. Riêng trong xây dựng, các công nghệ in 3D vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi, theo đó, các vật liệu ứng dụng hiện mới đang trong giai đoạn nghiên cứu.
Về mặt lý thuyết, công nghệ in 3D hiện nay chưa cho phép xây các tường chịu lực và các công trình quan trọng. Xi măng thường cần một khoảng thời gian khá dài để đóng rắn nên không thể đáp ứng các yêu cầu của việc in 3D. Hỗn hợp vật liệu cần có tính lưu biến, tức là giảm độ chảy khi đổ và tăng độ chảy trong trạng thái nghỉ. Một giải pháp vật liệu khả thi cho việc in 3D là sử dụng bê tông huỳnh - hỗn hợp gồm có lưu huỳnh và cốt liệu. Hỗn hợp này sẽ được nung nóng vượt qua giới hạn chảy của lưu huỳnh. Sau khi được làm nguội, bê tông lưi huỳnh sẽ đạt cường độ mong muốn mà không cần nhiều thời gian để đóng rắn.
Loại bê tông xi măng thông thường không đáp ứng yêu cầu về vật liệu cho máy in 3D. Để tối ưu quy trình in 3D cần có hai điều kiện: sự cố kết của các lớp giảm nếu khoảng thời gian in giữa hai lớp tăng; vật liệu cần đóng rắn đủ để chịu tải trọng của lớp in tiếp theo mà không bị biến dạng. Nhu cầu bảo dưỡng các lớp in trước sẽ làm giảm tốc độ xây dựng. Việc so sánh hai hạn chế trên dẫn đến nghịch lý trong việc tối ưu hóa tốc độ in. Quãng cách thời gian giữa hai lần in liên tiếp phải đủ dài để đảm bảo cường độ cần thiết, song cũng phải đủ ngắn để đảm bảo sự cố kết giữa các lớp.
Khả năng của các lớp vật liệu được in có thể gánh được trọng lượng riêng của từng lớp tỷ lệ thuận với giới hạn biến dạng. Khi in các lớp vật liệu xây tường, lớp đầu tiên sẽ chịu tải trọng lớn nhất. Để đảm bảo sự ổn định của tường trong quá trình in, giới hạn biến dạng phải đủ để chịu tải trọng đó. Mặt khác, hỗn hợp vật liệu cùng phải đủ độ chảy để máy đùn hoạt động được. Để phát triển kết cấu, cần đảm bảo độ lưu động của hỗn hợp khi đùn và độ ổn định của kết cấu khi in các lớp vật liệu. Ứng suất biến dạng của vật liệu gốc xi măng tăng theo thời gian nghỉ. Theo các nhà khoa học của Pháp, ứng suất biến dạng thay đổi tuyến tính (model Roussel) trong 40 phút đầu tiên, và trong thời gian dài hơn nếu như độ chảy của hỗn hợp cao hơn (mô hình Perrault). Để thí nghiệm, các nhà khoa học đã lựa chọn cấp phối gồm: 50% xi măng; 25% đá vôi; 25% metakaolin; tỷ lệ nước/xi măng là 0,41. Polycarboxylate được sử dụng làm phụ siêu hóa dẻo, tỷ lệ với khối lượng xi măng là 0,3%. Giới hạn chảy ban đầu của vật liệu khá lớn, lên tới 4 kPa, tức là trong giới hạn chảy của vật liệu được nghiên cứu tại trường Đại học Nam California dành cho công nghệ CC.
Việc bổ sung đá vôi sẽ tăng độ bền nén và uốn, đồng thời tăng tính linh động của bê tông - điều này rất quan trọng cho công tác đùn bê tông.
Metakaolin giúp cải thiện các thuộc tính của hỗn hợp và bê tông. Các phân tử metakaolin nhỏ chen giữa các hạt xi măng tạo ra sự ổn định của cấu trúc hỗn hợp, giảm tách nước và làm cho vi cấu trúc đồng nhất hơn. Metakaolin khi được đưa vào xi măng sẽ làm tăng cường độ và độ bền của bê tông. Ngoài ra, việc thay thế một phần xi măng bằng metakaolin trong bê tông sẽ giúp giảm thể tích các lỗ rỗng, làm tăng tính kháng băng giá của bê tông.
Thời gian hóa dẻo của các polycarboxylat cao hơn 3-4 lần so với sulfomelanine, sulfonaphthalene formaldehydes hoặc lignosulfonates. Điều này không chỉ làm tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông trong các giai đoạn sớm, mà còn duy trì tính chất này trong một thời gian dài hơn, có tác động tích cực làm tăng thời gian bơm hỗn hợp qua máy đùn. Hiện nay, các nhà khoa học của Đại học Loughborough đặc biệt quan tâm đến việc lựa chọn và nghiên cứu các đặc tính của hỗn hợp bê tông cho máy in 3D. Nhóm nghiên cứu đã trình diễn một kết cấu có kích thước 1 x 2 x 0,8 m được làm từ một loại hỗn hợp bê tông đặc biệt, có thể bơm và đùn rất dễ dàng. Thành phần hỗn hợp mới cđược nhóm công bố một phần, trong đó tỷ lệ cấp phối như sau - 54% cát, 36% chất kết dính xi măng hoạt hóa, và 10% nước. Theo đánh giá của các nhà nghiên cứu: cường độ của vật liệu thu được tương đương 95% cường độ bê tông thông thường.
Các nhà khoa học Anh cũng tham gia thiết kế cấp phối bê tông với các đặc tính phù hợp để in 3D năng suất cao. Cấp phối tối ưu gồm cát và chất kết dính theo tỷ lệ 3: 2 (trong đó chất kết dính bao gồm 70% xi măng, 20% tro bay, 10% vi hạt oxit silic); và 1,2 kg sợi polypropylene cho mỗi mét khối bê tông. Tỷ lệ nước/xi măng là 0,26. Chất siêu hóa dẻo và chất làm chậm đông kết được bổ sung với liều lượng tương ứng 1 và 0,5% theo khối lượng. Việc bổ sung vi hạt oxit silic vào thành phần bê tông đưa tới một cấu trúc đặc chắc hơn của bê tông, cải thiện cường độ uốn và giảm tính thẩm thấu. Những tương tác tích cực giữa các sợi polypropylene và tro bay giúp bê tông có tính co ngót thấp khi nung sấy. Hơn nữa, sợi polypropylene tuy làm giảm năng lực xây xếp của bê tông, song chất siêu dẻo lại làm vữa đủ độ dẻo để đùn. Hỗn hợp bê tông nói trên t được in bằng một vòi phun đường kính 9 mm có thể phun tuần tự 61 lớp trong một phiên mà không có biến dạng đáng kể của các lớp dưới cùng. Hỗn hợp đảm bảo chất lượng đùn trong 100 phút. Cường độ chịu nén của bê tông vượt quá sự mong đợi - 110 MPa ở 28 ngày tuổi.
Tập đoàn Winsun của Trung Quốc - một trong những người khổng lồ thế giới trong lĩnh vực in 3D - đã áp dụng thành công loại cấp phối có khả năng kháng bào mòn Crazy Magic Stone với cường độ lớn hơn cường độ của đá tự nhiên tới 4 - 5 lần. Các đặc tính cơ học cao đạt được do sự có mặt của cát thạch anh đã được xử lý và các sợi xơ đặc biệt. Winsun cũng sử dụng rộng rãi thạch cao có bổ sung sợi thủy tinh (GlassFiber Reinforced Gypsum). GFRG chứa 3-25% xơ sợi độ dài từ 1 - 13 cm, đường kính từ 5,8 - 100 micron. Tỷ lệ nước/thạch cao trong ngưỡng từ 0,25 - 0,60. Sợi thủy tinh tăng sức kháng nứt của cấp phối, khiến cấp phối dẻo hơn và đạt khả năng xây xếp thuận lợi hơn. Trong các vật liệu tổng hợp sử dụng sợi thủy tinh, ứng suất bền kéo dồn vào các sợi, do đó tăng đáng kể sức đề kháng kéo và kháng uốn của vật liệu.
Kết luận
Các công nghệ in 3D trong ngành công nghiệp xây dựng hiện nay đã khá phổ biến. Tuy nhiên, ngành Xây dựng vẫn tụt hậu trong ứng dụng in 3D so với nhiều ngành công nghiệp sản xuất khác.
Ứng dụng các công nghệ in 3D trong quá trình xây dựng các tòa nhà / công trình là quy trình trước hết đòi hỏi các công tác R & D. Ngoài các trường đại học và các nhóm khoa học, trong lĩnh vực này còn có sự tham gia của các doanh nghiệp lớn có mục tiêu rõ ràng – in 3D các công trình xây dựng có thể thay đổi sâu sắc thị trường bất động sản và nhiều lĩnh vực liên quan.
Các trở ngại chính cần giải quyết trước mắt để đảm bảo sự phát triển thực thụ các công nghệ in 3D trong xây dựng là:
- Thiếu cơ sở pháp lý;
- Cần phát triển thị trường vật liệu xây dựng dành cho in 3D;
- Giá thành thiết bị rất cao, do chưa có sự sản xuất hàng loạt.
Tuy thực tế hiện nay, các nghiên cứu về công nghệ in 3D trong xây dựng mới được thực hiện bởi các viện nghiên cứu và trường đại học danh tiếng trên thế giới cũng như các Tập đoàn lớn, song cơ hội và tiềm năng dành cho các nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực này và ứng dụng của các nghiên cứu đó vẫn rộng mở trên toàn thế giới./.
Nguồn: Tạp chí Xây dựng các tòa nhà & công trình độc đáo (Nga) số 3/2017
ND: Lệ Minh