Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Đo Độ Loang Chất Kết Dính Cấu Thành Vật Liệu In 3D Bằng Công Nghệ Ánh Sáng Cấu Trúc

Tóm tắt nghiên cứu (Research Summary)

Công nghệ in 3D bê tông (3D Concrete Printing - 3DCP) đang tạo nên cuộc cách mạng trong ngành xây dựng hiện đại nhờ khả năng thi công tự động không cần cốp pha, rút ngắn tiến độ và tối ưu hóa vật liệu. Tuy nhiên, việc kiểm soát các đặc tính lưu biến của vữa in—đặc biệt là khả năng bơm được (pumpability) và khả năng xây dựng được (buildability)—vẫn là thách thức lớn do các phương pháp đo cơ học truyền thống tồn tại sai số cao và máy đo lưu biến chuyên dụng có chi phí quá đắt đỏ.

Nghiên cứu của nhóm tác giả tại Trường Đại học Hải Phòng đã giải quyết bài toán này bằng cách phát triển hệ thống đo không tiếp xúc chi phí thấp, ứng dụng công nghệ cảm biến quang học ánh sáng cấu trúc (Microsoft Kinect v1) kết hợp phần mềm số hóa bề mặt Skanect Pro và phần mềm thiết kế ngược Geomagic Design X.

[Hỗn hợp Vữa In 3D] 
[Biến dạng Bề mặt Mẫu] 
[Ảnh độ sâu & Đám mây điểm Point Cloud] 
[Mô hình CAD 3D Tham số: Độ loang, Độ sụt (hs), Độ phình (φb), Chiều cao phình (hb)]

Kết quả thực nghiệm trên 03 cấp phối vật liệu (chứa xi măng Chinfon PC40, tro bay loại F và phụ gia siêu dẻo SikaPlast-398 SF) chứng minh hệ thống có khả năng tái tạo mô hình 3D chính xác, trích xuất đồng thời đường kính loang, độ sụt chiều cao ($h_s$), chiều cao tiết diện phình ($h_b$) và đường kính phình lớn nhất ($\phi_b$). Nghiên cứu mở ra giải pháp kiểm chuẩn lưu biến trực quan, tin cậy và tối ưu chi phí cho các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp in 3D xây dựng.

Bối cảnh và tầm quan trọng (Context & Significance)

1. Hiện trạng công nghệ và bài toán lưu biến trong in 3D bê tông

Khác với bê tông truyền thống được đổ vào ván khuôn kín, bê tông in 3D vận hành theo nguyên lý sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing - AM): vật liệu được đùn ép liên tục qua đầu in (trục vít hoặc pittông) và xếp chồng từng lớp để tạo hình khối kết cấu. Quá trình này đòi hỏi vật liệu phải thỏa mãn đồng thời hai trạng thái cơ học đối nghịch theo mô hình Bingham:

  • Khả năng bơm được (Pumpability): Vữa phải có độ nhớt dẻo và ứng suất chảy động ($\tau_{dynamic}$) đủ thấp khi chịu lực cắt trong đường ống để không gây tắc nghẽn vòi phun.
  • Khả năng xây dựng được (Buildability): Ngay sau khi ra khỏi đầu đùn, vữa phải nhanh chóng phục hồi ứng suất chảy tĩnh ($\tau_{static}$) và tốc độ đông kết cấu trúc (thixotropic structural build-up) để nâng đỡ trọng lượng bản thân cùng các lớp in tiếp theo mà không bị lún sụp hoặc phình oằn.

2. Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap)

Hiện nay, việc đánh giá vữa in 3D trong nước chủ yếu dựa vào thí nghiệm độ loang theo TCVN 12209:2018 (đo bằng thước thép/thước nhựa) và độ sụt theo TCVN 3105-93 / ASTM C143. Phương pháp thủ công này bộc lộ những nhược điểm nghiêm trọng:

  • Sai số đo lớn (chỉ đọc chính xác đến 5 mm), phụ thuộc hoàn toàn vào góc nhìn chủ quan của kỹ thuật viên.
  • Chỉ đo được 1 chiều kích thước đơn giản (đường kính ngoài, độ hạ chiều cao đỉnh), bỏ qua toàn bộ biên dạng hình học 3D, hiện tượng phình thân hoặc biến dạng bất đối xứng của mẫu.
  • Các hệ thống máy đo lưu biến quay chuyên dụng (Rheometer) có chi phí đầu tư rất lớn (> 20.000 USD), cấu tạo phức tạp và khó áp dụng cho hỗn hợp vữa có độ đặc chắc cao hoặc chứa cốt liệu cát.

3. Tính cấp thiết và tác động kỳ vọng

Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo độ loang và độ sụt bằng công nghệ quét 3D quang học không tiếp xúc là lời giải kịp thời. Với chi phí phần cứng chỉ khoảng 150 USD, hệ thống cho phép số hóa toàn diện hình thái mẫu thí nghiệm trong thời gian thực, cung cấp dữ liệu số chuẩn xác phục vụ thiết kế cấp phối vữa in 3D tối ưu.

Phương pháp luận và cách tiếp cận (Methodology & Approach)

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa quang hình học lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng tại phòng lab.

1. Nguyên lý ánh sáng cấu trúc và mô hình Camera độ sâu (Pinhole Model)

Hệ thống sử dụng cảm biến Microsoft Kinect v1, hoạt động dựa trên kỹ thuật ánh sáng cấu trúc (Structured Light):

  • Máy chiếu hồng ngoại gần (NIR Laser Diode bước sóng 850 nm) chiếu một mẫu họa tiết đốm biết trước lên bề mặt mẫu vữa.
  • Camera đơn sắc NIR thu nhận hình ảnh biến dạng của mẫu họa tiết. Thông qua đường cơ sở $b = 7{,}5\text{ cm}$ giữa máy chiếu và camera, độ sâu $d$ của từng điểm ảnh được tính toán theo nguyên lý tam giác lượng:

$$d = \frac{b \cdot f}{m(x,y)}$$

Trong đó $f$ là tiêu cự camera và $m(x,y)$ là độ chênh lệch điểm ảnh (disparity).

Nhóm nghiên cứu đã hiệu chuẩn các tham số nội (Intrinsic Parameters) của camera độ sâu thông qua MATLAB Camera Calibration Toolbox, loại bỏ ảnh hưởng méo hình học:

Tham số nội camera độ sâu (Kinect v1) Ký hiệu Giá trị thực nghiệm
Tiêu cự theo trục X / Y $f_x$ / $f_y$ 314,758 px / 252,187 px
Điểm cơ sở quang học (Principal Point) $u_0$ / $v_0$ 580,606 px / 580,885 px
Hệ số méo hướng kính bậc 2, 4, 6 $k_1, k_2, k_3$ 1,013 / -0,188 / 0,002

Mỗi điểm ảnh độ sâu $p(u, v)$ được chuyển đổi chuẩn xác sang tọa độ thực không gian $P(x, y, z)$ theo công thức:

$$x = \frac{u - u_0}{f_x} \cdot z, \quad y = \frac{v - v_0}{f_y} \cdot z, \quad z = d$$

2. Thu thập và tái tạo bề mặt 3D

  • Phần mềm Skanect Pro: Thu thập đám mây điểm (Point Cloud) ở tần số 30 khung hình/giây. Khoảng cách quét tối ưu từ camera đến bàn mẫu được xác lập cố định từ $500\text{ mm}$ đến $1000\text{ mm}$.
  • Phần mềm Geomagic Design X: Đám mây điểm thô dạng file .ply được nhập vào Geomagic. Nhóm tác giả áp dụng quy trình 4 bước:
    1. Alignment: Khớp chuyển đổi hệ tọa độ đám mây điểm trùng với các mặt phẳng chuẩn ($Oxy, Oxz, Oyz$).
    2. Mesh Buildup Wizard: Làm sạch nhiễu ngoại lai, lấp lỗ hổng dữ liệu (Watertight Mesh) và làm mịn bề mặt.
    3. Feature Modeling: Trích xuất các biên dạng hình học thực thể.
    4. Measure Tool: Trích xuất chính xác các kích thước hình học 3D.

Phát hiện chính và Dữ liệu thực nghiệm (Key Findings & Results)

Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm trên 03 cấp phối vữa in 3D với tỷ lệ thành phần nguyên liệu được thiết kế chi tiết:

[Xi măng Chinfon PC40] + [Tro bay F Hải Phòng] + [Cát vàng d < 2.5mm] + [Phụ gia SikaPlast-398 SF]
         [Thí nghiệm Độ loang]              [Thí nghiệm Độ sụt]
         • Côn chuẩn ASTM                   • Trụ chuẩn phân tầng
         • Quét 3 lần (cách 5 phút)         • Quét 2 lần (cách 15 phút)
         • Đo đường kính chảy D             • Đo hs, hb, φb

1. Kết quả thực nghiệm thí nghiệm đo độ loang

Mỗi mẫu vữa được rót vào côn chuẩn, rút côn và đo đạc sau các khoảng thời gian liên tiếp cách nhau 5 phút để đánh giá khả năng giữ độ chảy và tính xúc biến:

Ký hiệu Mẫu Xi măng (g) Tro bay (g) Nước (g) Phụ gia SP (g) Độ loang Lần 1 ($t=0'$) Độ loang Lần 2 ($t=5'$) Độ loang Lần 3 ($t=10'$)
Mix01 500 500 300 4 174 mm 152 mm 148 mm
Mix02 500 500 250 6 206 mm 186 mm 164 mm
Mix03 568 568 250 8 212 mm 172 mm 166 mm

[!NOTE] Nhận xét chuyên môn: Tỷ lệ phụ gia siêu dẻo cao ở mẫu Mix02 và Mix03 giúp tăng độ chảy ban đầu đáng kể ($206 - 212\text{ mm}$ so với $174\text{ mm}$ ở Mix01), đảm bảo khả năng bơm qua vòi đùn. Độ loang suy giảm đều theo các mốc thời gian phản ánh tốc độ hydrat hóa và tái lập cấu trúc mạng lưới hạt kết dính (Thixotropic build-up).

2. Kết quả thực nghiệm thí nghiệm đo độ sụt 3D

Thí nghiệm độ sụt đánh giá trực tiếp khả năng chịu tải trọng bản thân và độ ổn định hình khối của vữa in (bổ sung 800g cát vàng trong cấp phối). Kết quả trích xuất mô hình CAD 3D thu được 3 thông số định lượng:

  • $h_s$: Độ sụt chiều cao (mm).
  • $h_b$: Chiều cao tại vị trí tiết diện phình lớn nhất (mm).
  • $\phi_b$: Đường kính tại tiết diện phình lớn nhất (mm).
Mẫu Cấp phối Lần đo 1 ($t=0\text{ min}$) Lần đo 2 ($t=15\text{ min}$)
$h_s$ (mm) $h_b$ (mm) $\phi_b$ (mm) $h_s$ (mm) $h_b$ (mm) $\phi_b$ (mm)
Mix01 6 14 85 5 12 81
Mix02 15 13 91 17 15 93
Mix03 5 18 85 3 14 85 
              BIÊN DẠNG MẪU ĐỘ SỤT SAU KHI RÚT TRỤ CHUẨN

3. Phân tích ý nghĩa phát hiện

  1. Vượt trội về độ chính xác và tính toàn vẹn dữ liệu: Phương pháp quang học 3D triệt tiêu hoàn toàn sai số do đặt thước lệch tâm hoặc mép loang không tròn đều. Người nghiên cứu có thể đo đường kính tại bất kỳ góc cắt nào trên mô hình CAD.
  2. Khám phá tham số hình thái mới ($h_b, \phi_b$): Thước đo truyền thống hoàn toàn bất lực trong việc xác định chiều cao tiết diện phình ($h_b$) và độ phình cực đại ($\phi_b$). Đây lại là hai thông số cốt lõi dự báo hiện tượng oằn nén (buckling failure) và độ phình lớp in đáy khi chồng nhiều lớp vữa trong thực tế in 3D.
  3. Khả năng kiểm soát mẫu Mix03: Cấp phối Mix03 cho thấy độ sụt chiều cao cực nhỏ ($h_s = 3 - 5\text{ mm}$) cùng độ ổn định đường kính phình tuyệt vời ($\phi_b = 85\text{ mm}$), chứng minh tính năng xây dựng (buildability) vượt trội, thích hợp cho việc in các cấu kiện có chiều cao lớn.

Đóng góp khoa học và Đổi mới công nghệ (Contributions & Innovation)

                              CÁC ĐÓNG GÓP CỐT LÕI
  1. Đổi mới phương pháp luận kiểm chuẩn vật liệu (Methodological Innovation): Nghiên cứu đã thiết lập một chu trình đo lường không tiếp xúc hoàn chỉnh từ khâu quét đám mây điểm thô đến xử lý dữ liệu tham số trên CAD. Giải pháp này giúp số hóa hoàn toàn các thí nghiệm kiểm tra vật liệu xây dựng vốn trước đây mang nặng tính thủ công.
  2. Bổ sung cơ sở dữ liệu hình học cho mô hình lưu biến học (Theoretical Contribution): Kết hợp mối quan hệ giữa đường kính loang $F$ và ứng suất chảy $\tau_{paste}$ với các dữ liệu hình thái 3D thực tế ($h_b, \phi_b$), cung cấp đầu vào chính xác cho các phần mềm mô phỏng dòng chảy động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics - CFD) của vữa in.
  3. Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật mang tính đột phá (Practical Applications): Thay vì đầu tư máy quét laser công nghiệp đắt tiền ($30.000 - 330.000\text{ USD}$ như Rexcan CS2+ hay ATOS Triple Scan) hoặc máy đo lưu biến ($> 20.000\text{ USD}$), giải pháp dùng Kinect v1 kết hợp phần mềm chuyên dụng chỉ tốn chi phí phần cứng dưới 150 USD, dễ dàng trang bị đại trà cho các trường đại học và viện nghiên cứu tại Việt Nam.

Đối tượng thụ hưởng và Giá trị ứng dụng (Target Audience)

  • Các nhà nghiên cứu học thuật & Giảng viên (Academic Researchers): Tài liệu cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về thị giác máy tính ứng dụng trong khoa học vật liệu, là tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu về bê tông Geopolymer, bê tông cốt sợi in 3D.
  • Kỹ sư R&D & Doanh nghiệp công nghệ xây dựng (Industry Professionals): Cung cấp công cụ đánh giá nhanh cấp phối vữa ngay tại xưởng in, giúp tinh chỉnh tỷ lệ phụ gia siêu dẻo, tro bay, silica fume nhằm triệt tiêu hiện tượng tắc ống bơm hoặc sập đổ kết cấu khi in bồi đắp.
  • Cơ quan tiêu chuẩn & Quản lý chất lượng xây dựng (Policy Makers / Standard Organizations): Cung cấp cơ sở khoa học thực nghiệm để nâng cấp, bổ sung các tiêu chuẩn đo lường vật liệu in 3D thay thế cho các tiêu chuẩn thử nghiệm cơ học cổ điển đã lỗi thời.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của đề tài là gì?

Đề tài đã chứng minh cảm biến ánh sáng cấu trúc chi phí thấp (Kinect v1) hoàn toàn đáp ứng được độ chính xác trong việc số hóa và đánh giá lưu biến vữa in 3D. Đồng thời, nghiên cứu phát hiện và đo lường thành công hai thông số hình thái quan trọng là chiều cao tiết diện phình ($h_b$) và độ phình lớn nhất ($\phi_b$) mà phương pháp truyền thống không thể đo được.

2. Phương pháp đo quang học 3D có gì vượt trội hơn việc đo bằng thước kẹp hay thước thép?

Phương pháp quang học 3D là phương pháp đo không tiếp xúc, loại bỏ nguy cơ làm biến dạng khối vữa tươi đang đông kết mềm. Ngoài ra, phương pháp này cung cấp dữ liệu toàn phần (Full-field 3D Geometry) thay vì chỉ vài điểm rời rạc, cho phép phân tích mặt cắt và thể tích mẫu với độ chính xác cao.

3. Thiết bị Kinect v1 có nhược điểm gì khi ứng dụng ngoài công trường thực tế không?

Do Kinect v1 sử dụng chùm tia hồng ngoại gần (NIR 850 nm) theo nguyên lý ánh sáng cấu trúc, thiết bị dễ bị nhiễu dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên có cường độ bức xạ mạnh. Do đó, hệ thống hiện hoạt động tối ưu nhất trong điều kiện phòng thí nghiệm hoặc môi trường nhà xưởng có mái che với ánh sáng tán xạ ổn định.

4. Dữ liệu quét 3D từ hệ thống có thể tích hợp trực tiếp vào quy trình in 3D không?

Có. Đám mây điểm sau khi xử lý trên Geomagic Design X được xuất ra các định dạng chuẩn công nghiệp như .stl, .step, .ply. Dữ liệu này có thể đưa trực tiếp vào phần mềm mô phỏng số CAE hoặc phần mềm điều khiển máy in 3D (Slicer) để bù trừ sai số co ngót của lớp in.

5. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu này là gì?

Nhóm tác giả định hướng tự động hóa cơ cấu rút khuôn (côn chuẩn và trụ chuẩn) bằng cơ cấu chấp hành cơ khí chính xác để triệt tiêu hoàn toàn rung lắc do tay người, đồng thời xây dựng thuật toán phân tích sai số tự động tích hợp trên nền tảng thị giác máy tính thời gian thực.

Kết luận (Conclusion)

Đề tài nghiên cứu khoa học "Chế tạo thiết bị đo độ loang của chất kết dính cấu thành vật liệu in 3D trong xây dựng sử dụng ánh sáng cấu trúc" do TS. Bùi Văn Biên chủ nhiệm đã hiện thực hóa thành công một giải pháp công nghệ đo lường tiên tiến, chuẩn xác và có tính kinh tế vượt trội. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc số hóa 3D không tiếp xúc trong kiểm nghiệm vật liệu xây dựng mới, góp phần hoàn thiện chuỗi công nghệ chế tạo bồi đắp bê tông tại Việt Nam.

Các đơn vị nghiên cứu, phòng thí nghiệm vật liệu và doanh nghiệp xây dựng có thể tham khảo quy trình này để làm chủ công nghệ kiểm soát cấp phối in 3D với chi phí đầu tư tối thiểu nhưng mang lại hiệu quả vượt bậc.