chương 1. Chương 2: Quá trình số hóa bề mặt 3D sử dụng Kinect v1 và phần mềm Skanect. Chương 2 sẽ khảo sát nguyên lý hoạt động và cấu tạo của thiết bị Kinect v2, cũng như phần mềm Skanect. Đồng thời một quy trình thực hiện cũng sẽ được đề xuất.
Chương 3: Thực nghiệm xác định kết quả thí nghiệm độ loang và độ sụt. Chương 3 nghiên cứu quá trình thực nghiệm xác định kết quả thí nghiệm độ sụt và độ loang của thí nghiệm vật liệu dùng trong quá trình in bê tông 3D. Qua đó, hiệu quả của phương pháp xác định kết quả thí nghiệm độ sụt và độ loang bằng thiết bị Kinect v1, phần mềm Skanect và phần mềm Geomagic Design X sẽ được chứng minh. TỔNG QUAN VỀ THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG IN CỦA VẬT LIỆU BÊ TÔNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO KHÔNG TIẾP XÚC Chương này giới thiệu tổng quan về thí nghiệm độ loang chất kết dính cấu thành vật liệu bê tông và độ sụt của vật liệu bê tông trong lĩnh vực xây dựng.
Cơ sở lý thuyết về phương pháp đo không tiếp xúc bằng thiết bị Kinect v1 ứng dụng cho quá trình thí nghiệm vật liệu bê tông in 3D trong xây dựng cũng sẽ được đề cập. Thí nghiệm đánh giá khả năng in của vật liệu bê tông 1. Giới thiệu chung về vật liệu bê tông Công nghệ in 3D, hay còn gọi là công nghệ sản xuất bồi đắp - additive manufacturing, là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo sản phẩm theo nguyên lý xếp chồng từng lớp vật liệu lên nhau. Về thuật ngữ, "in 3D" mang hàm ý về việc sử dụng "máy in" có "đầu in" di chuyển để tạo ra các sản phẩm hoàn thiện.
Trên thực tế công nghệ in 3D cũng hoạt động tương tự như công nghệ in truyền thống, tuy nhiên công nghệ in 3D thường gắn liền với các kỹ thuật tiên tiến hơn. Công nghệ in 3D đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đồng thời tạo ra rất nhiều sản phẩm có hình dạng và kích thước khác nhau, một trong số đó được minh họa trong hình 1. Trong ngành xây dựng, công nghệ in 3D đã bước đầu được sử dụng vào việc thi công các công trình dân dụng, công trình cầu, hạ tầng kỹ thuật,. Một hệ thống in 3D điển hình, phát triển bởi Viện công nghệ Massachusetts, được giới thiệu trong hình 1.
Dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng các máy in 3D khổng lồ. Công nghệ in 3D trong xây dựng có thể mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt là trong chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động môi trường. Để bắt đầu in 3D, người ta cần một bản thiết kế mô hình 3D trên phần 7 Hình 1.1: Tua bin Sierra [24] mềm CAD, phần mềm hỗ trợ thiết kế trên máy tính. Mô hình 3D của sản phẩm được thiết kế trực tiếp trên các phần mềm CAD hoặc được tái tạo thông qua thiết bị quét 3D và phần mềm chuyên dụng để xử lý sau quét.
Sau khi bản thiết kế mô hình 3D đã hoàn thành, người ta thường truy xuất sang định dạng dữ liệu STL (Standard Tessellation Language) để sau đó sử dụng phần mềm chuyên Hình 1.2: Hệ thống in 3D điển hình [25] 8 dụng để chuyển đổi thành mã điều khiển hệ thống in 3D. Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa và bê tông, vật liệu có chất kết dính gốc xi măng. Công nghệ in 3D dựa trên vật liệu chất kết dính chỉ mới thực hiện ở những bước đầu tiên. Vật liệu gốc xi măng được ứng dụng trong các công trình trong nhiều thế kỉ và vẫn là vật liệu chủ đạo trong các công trình hiện đại.
Tuy nhiên, những nỗ lực trong việc thiết kế các phương pháp in phù hợp cho vật liệu gốc xi măng vẫn còn nhiều rào cản để phát triển đầy đủ tiềm năng của công nghệ in 3D. Bê tông có chức năng giống như” mực” của máy in 3D. Trong đó bê tông cốt liệu nhỏ có thể dễ dàng đùn qua hệ thống đầu in. Để giảm hoặc loại bỏ việc sử dụng thép trong các công trình in 3D, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra bê tông in 3D tự gia cố bằng cách thêm sợi vào cấp phối.
Sự hiện diện của các sợi gây ra sự thay thế các vết nứt đơn lẻ bằng hệ thống vết nứt vi mô. Các sợi mịn sẽ kiểm soát việc mở và lan truyền các vết nứt nhỏ do sự phân bố dày đặc của chúng trong nền xi măng, trong khi các sợi dài hơn lên đến 50 hoặc 80mm sẽ kiểm soát các vết nứt lớn hơn và nâng cao cường độ của bê tông cốt sợi. Vật liệu tổng hợp gốc xi măng thường bao gồm các cốt liệu mịn và thô. Các phụ gia ở dạng hạt (ví dụ như silica fume), latex, sợi ngắn, chất lỏng và chất khử nước cũng có thể được thêm vào hỗn hợp để cải thiện các đặc tính của vật liệu tổng hợp.
Vật liệu tổng hợp gốc xi măng thông minh chứa các sợi carbon ngắn, sợi thép ngắn và silica. Vật liệu cho máy in 3D đòi hỏi kiểm soát và đánh giá các đặc trưng ở cả 2 trạng thái ướt và trạng thái đóng rắn, bao gồm tính lưu biến, đặc tính ướt, đặc tính cứng và tuổi thọ. Tính lưu biến của vật liệu in được xem xét dựa trên hai thuộc tính của vật liệu đó là khả năng bơm được và khả năng xây dựng được. Hay nói cách khác, thông qua việc đánh giá tính lưu biến của vật liệu để nhận định về khả năng in được của vật liệu.
Đây là các chỉ số mô tả định tính quan trọng để đánh giá một cấp phối vật liệu thích hợp cho công nghệ in 3D. Khả năng in được của vật liệu bê tông Khả năng in được được đánh giá thông qua sự kết hợp giữa khả năng bơm được và khả năng xây dựng được. Nó được đề xuất như một chỉ số quan trọng để đánh giá ứng xử của vữa in trong việc kết hợp với đầu in của máy in để tạo ra các lớp in liên tục được kiểm soát tốt. Khả năng in được còn có thể được đánh giá thông qua biến dạng của các lớp vữa chồng lên nhau sau khi in.
Khả năng bơm được của vật liệu bê tông Sau khi trộn tạo thành cấp phối vữa hoàn chỉnh, vữa in được đưa vào phễu của máy in, sau đó được đẩy đến bộ phận đầu in và được ép đùn ra ngoài bằng vòi phun. Khả năng bơm được được định nghĩa là khả năng vận chuyển vữa in đến một vòi phun trong phễu của máy in dưới dạng một sợi liên tục. Có hai dạng đầu in được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là cơ cấu trục vít và cơ cấu pittong. So sánh chi tiết của hai dạng này về các yêu cầu đặc tính đối với vật liệu dễ chảy và ứng dụng được thể hiện trong Bảng 1.1 và nguyên lý hoạt động của máy đùn tương ứng được trình bày trong Hình 1.1: Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật của hai dạng đầu in Đặc tính Yêu cầu vật liệu Ứng dụng Trục vít Cấp vật liệu liên tục, có Vật liệu đồng chất có độ Phù hợp hơn với thể kẹt do cốt liệu lớn loang, độ nhớt và tốc độ vật liệu in chỉ có đông cứng nhanh cốt liệu mịn Pittong Không cấp liên tục, dễ Độ nhớt và ứng suất Phù hợp hơn với kẹt tại vùng chuyển vật chảy cao vật liệu in có cốt liệu từ khoang chứa liệu thô sang đầu in Cần lưu ý rằng đặc tính lưu biến của vật liệu kết dính đã thay đổi trong phễu của đầu in dạng trục vít (Hình 1.3a) do đặc tính của trục vít và tính chất lưu biến của chính vật liệu kết dính.
Về dạng đầu in pittong (Hình 1.3b), các vật liệu kết dính được đẩy bởi một pittong có hình dạng phù hợp với hình dạng của xylanh. So với vật liệu dùng trong đầu in dạng trục vít, vật liệu thích hợp trong đầu in dạng pittong cần có độ lưu động và độ cứng nhỏ hơn. Bên cạnh đó, nhược điểm lớn đối với đầu in dạng pittong là không thể đưa các vật liệu kết dính ra khỏi đầu in một cách liên tục. Trong quá trình in, vữa in phải đồng nhất và được đùn liên tục mà không có bất kỳ sự nứt vỡ, tắc nghẽn và phân đoạn nào.
Nhiều tác giả đã tiến hành đánh giá về các đặc tính dòng chảy và đặc tính lưu biến của các vật liệu dựa trên nguyên lý hoạt động của quá trình in. Họ chỉ ra rằng trong quá trình in, các vật liệu chịu lực ép chảy và lực ma sát thành bên. Lực tạo hình được tính toán dựa trên quan hệ với đặc tính lưu biến của dòng chảy kéo dài trong vùng định hình. Tuy nhiên, sự thoát nước của vữa in gây ra bởi quá trình in sẽ cản trở dòng chảy khi nó hoạt động không đồng nhất.
10 Động cơ Trục dẫn Cửa cấp liệu Pittong Thùng chứa Xy lanh Trục rag replacements PSfrag replacements Đầu in Trục vít Chân đỡ Đầu in (a) Trục vít (b) Pittong Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của một số đầu in 1. Khả năng xây dựng được của vật liệu bê tông Khả năng xây dựng của vữa in đánh giá về việc khả năng chịu tải trọng bản thân của lớp vữa sau in và tải trọng các lớp phía trên nó mà không bị sụp đổ trong quá trình in. Mặt khác, khả năng duy trì biến dạng hình học của nó phải nằm trong phạm vi được kiểm soát sau in. Chiều dày lớp vữa in thường nhỏ (thay đổi từ 1mm đến 10cm) để giới hạn trọng lực ban đầu của lớp vữa in.
Ứng suất cắt do trọng lực này gây ra phải thấp hơn ứng suất chảy của vật liệu kết dính để duy trì hình dạng. Trong tài liệu, [26], mối quan hệ này được thể hiện thông qua biểu thức sau √ τ (t) > ρgH 3 r 1+v (1.1) HT = 2δ √ 3 3γc trong đó τ (t) là ứng suất chảy tĩnh; ρ là khối lượng riêng của vữa in; H là chiều cao của lớp vữa in; δ là chiều rộng của lớp vữa in, v là hệ số Poisson, γc là biến dạng cắt tới hạn. Biến dạng một lớp của vật liệu in ngay sau quá trình in có thể được dự đoán 11 bằng phương pháp mô hình hóa, điều này giúp ích cho việc phân tích khả năng xây dựng được của vật liệu in.