Tổng quan nghiên cứu

Ngành xây dựng đóng vai trò thiết yếu trong sự phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia. Tuy nhiên, phương pháp xây dựng truyền thống hiện nay đang bộc lộ nhiều hạn chế như tốn thời gian, chi phí cao và lãng phí nguyên vật liệu. Trên thế giới, hơn 1 tỷ người vẫn chưa có chỗ ở phù hợp, trong khi giá nhà ở tại các thành phố lớn như Hong Kong cao gấp 19 lần thu nhập trung bình, gây khó khăn cho người thu nhập thấp. Trước thực trạng này, việc ứng dụng công nghệ robot in 3D trong xây dựng được xem là giải pháp đột phá nhằm rút ngắn thời gian thi công, giảm sức lao động và nâng cao chất lượng công trình.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot in 3D bê tông sử dụng vật liệu mới, với mục tiêu hoàn thiện robot có kết cấu ổn định, hoạt động hiệu quả và có khả năng ứng dụng thực tiễn cao. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong không gian hoạt động của robot với chiều cao 1,2 m và đường kính 2,4 m, sử dụng vật liệu bê tông cải tiến phù hợp cho công nghệ in 3D. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2021.

Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc góp phần nâng cao hiệu quả xây dựng, giảm chi phí và thời gian thi công, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ tự động hóa trong ngành xây dựng Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cũng làm phong phú thêm kho tàng kiến thức kỹ thuật, hỗ trợ đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực cơ điện tử và tự động hóa xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết robot tọa độ trụ: Cấu hình robot có không gian làm việc hình trụ, với ít nhất 3 bậc tự do, phù hợp cho việc di chuyển đầu công tác trong không gian ba chiều.
  • Động học và động lực học robot: Phân tích bài toán động học thuận và nghịch để xác định vị trí và chuyển động của đầu công tác, đồng thời tính toán động năng, thế năng và mô men quán tính nhằm thiết kế cơ cấu truyền động phù hợp.
  • Công nghệ in 3D trong xây dựng: Áp dụng phương pháp in 3D FDM với vật liệu vữa bê tông cải tiến, đảm bảo các lớp vật liệu liên kết chắc chắn, có độ dẻo và độ đứng vững cần thiết.
  • Vật liệu xây dựng mới: Sử dụng xi măng Portland hỗn hợp kết hợp phụ gia hóa dẻo Sikament R4 và sợi nhựa tái chế nhằm cải thiện tính chất cơ lý của vữa bê tông, tăng cường độ bền và thân thiện môi trường.

Các khái niệm chính bao gồm: bậc tự do robot, ma trận Jacobi, động học thuận/nghịch, hiệu suất bộ truyền động, và tính chất vật liệu in 3D.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, bài báo khoa học, dữ liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất thiết bị, và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phương pháp thiết kế: Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế cơ khí robot, mô phỏng ứng suất và chuyển vị nhằm đảm bảo độ bền và độ cứng vững của kết cấu.
  • Phương pháp phân tích: Tính toán truyền động, động học và động lực học robot dựa trên các công thức vật lý và mô hình toán học, đồng thời sử dụng Matlab để mô phỏng quỹ đạo chuyển động.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thử nghiệm vật liệu vữa bê tông với các tỷ lệ pha trộn khác nhau, đánh giá độ dẻo, độ đứng vững và cường độ bê tông sau 3, 7 và 28 ngày; vận hành robot in 3D để kiểm tra hiệu suất và độ ổn định.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế trong 6 tháng đầu năm 2021, gia công và lắp ráp robot trong 3 tháng tiếp theo, thử nghiệm và hiệu chỉnh trong 3 tháng cuối năm.

Cỡ mẫu thực nghiệm vật liệu khoảng 10 mẫu bê tông với các tỷ lệ pha trộn khác nhau; robot được thử nghiệm trong không gian làm việc giới hạn 1,2 m chiều cao và đường kính 2,4 m.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế robot tọa độ trụ tối ưu: Qua so sánh các cấu hình robot (tọa độ Descartes, trụ, cầu), robot tọa độ trụ được lựa chọn do có độ cứng cao, khả năng chịu tải lớn và dễ điều khiển. Khối lượng tổng thể robot khoảng 337 kg, với các chi tiết chính như trụ thân (69 kg), đầu công tác (100 kg) và bệ đỡ (47 kg).

  2. Vật liệu in 3D cải tiến: Sử dụng xi măng Portland hỗn hợp kết hợp phụ gia Sikament R4 giúp tăng cường độ bê tông lên ≥ 30 MPa sau 3 ngày và ≥ 40 MPa sau 28 ngày, đồng thời cải thiện độ dẻo và thời gian ninh kết ban đầu trên 5 giờ, phù hợp cho quá trình in 3D. Việc bổ sung sợi nhựa tái chế giúp tăng độ đứng vững của lớp in.

  3. Tính toán truyền động chính xác: Bộ truyền trục vít me-đai ốc của hãng THK được chọn với đường kính trục vít 23 mm, hiệu suất truyền động đạt 0,99, đảm bảo chịu tải lực dọc trục lên đến 250 N. Động cơ Delta ECMA series 21310RS công suất 1000 W được sử dụng cho các khâu truyền động, đáp ứng yêu cầu vận tốc và mô men xoắn.

  4. Hiệu quả vận hành robot: Robot có thể di chuyển đầu công tác với tốc độ tối đa 50 mm/s, tạo ra dòng chảy vữa bê tông ổn định với năng suất 0,16 m³/giờ. Thời gian in một lớp vật liệu được kiểm soát để đảm bảo độ đứng vững, tránh hiện tượng cong vênh hoặc đổ lớp in.

Thảo luận kết quả

Kết quả thiết kế và thử nghiệm cho thấy robot tọa độ trụ phù hợp với yêu cầu xây dựng bằng công nghệ in 3D, vừa đảm bảo độ chính xác vừa chịu tải tốt. Việc sử dụng vật liệu bê tông cải tiến với phụ gia hóa dẻo và sợi nhựa tái chế không chỉ nâng cao chất lượng công trình mà còn góp phần giảm thiểu tác động môi trường.

So với các nghiên cứu quốc tế, như tòa nhà in 3D tại Dubai cao 9,5 m với diện tích 640 m², robot nghiên cứu có phạm vi hoạt động nhỏ hơn nhưng phù hợp với điều kiện thực tế và nguồn lực trong nước. Các biểu đồ mô phỏng ứng suất và chuyển vị cho thấy kết cấu robot đảm bảo an toàn với ứng suất lớn nhất dưới 130 MPa, thấp hơn giới hạn cho phép của vật liệu thép.

Dữ liệu thử nghiệm vật liệu được trình bày qua bảng so sánh độ sụt và cường độ bê tông, minh họa hiệu quả của phụ gia Sikament R4. Biểu đồ quỹ đạo chuyển động trong Matlab thể hiện khả năng điều khiển chính xác của robot.

Những kết quả này khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng robot in 3D trong xây dựng tại Việt Nam, mở ra hướng phát triển công nghiệp hóa, tự động hóa ngành xây dựng trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển mở rộng không gian làm việc robot: Nâng cấp robot với chiều cao và bán kính hoạt động lớn hơn nhằm phục vụ xây dựng các công trình thực tế quy mô lớn hơn, dự kiến trong 2 năm tới, do các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ thực hiện.

  2. Nghiên cứu vật liệu in 3D thân thiện môi trường: Tiếp tục cải tiến vật liệu bê tông bằng cách tăng tỷ lệ sử dụng vật liệu tái chế và phụ gia sinh học, nhằm giảm phát thải carbon và tăng độ bền công trình, triển khai thử nghiệm trong 1-2 năm.

  3. Tối ưu hóa hệ thống điều khiển và phần mềm: Phát triển giao diện người dùng thân thiện, tích hợp cảm biến giám sát quá trình in để tự động điều chỉnh tốc độ và lưu lượng vật liệu, nâng cao độ chính xác và ổn định, hoàn thiện trong 12 tháng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành robot in 3D cho kỹ sư và công nhân xây dựng, đồng thời hợp tác với doanh nghiệp để ứng dụng thực tế, nhằm thúc đẩy công nghiệp hóa ngành xây dựng trong 3-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Cơ điện tử, Tự động hóa: Học tập kiến thức thiết kế robot, động học, truyền động và ứng dụng công nghệ in 3D trong xây dựng, phục vụ nghiên cứu và phát triển dự án.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm công nghiệp: Áp dụng các phương pháp thiết kế cơ khí, tính toán truyền động và lựa chọn vật liệu mới để phát triển robot và thiết bị tự động hóa trong xây dựng.

  3. Doanh nghiệp công nghệ xây dựng và sản xuất vật liệu: Tham khảo giải pháp robot in 3D và vật liệu bê tông cải tiến để nâng cao năng suất, giảm chi phí và phát triển sản phẩm mới thân thiện môi trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ robot in 3D trong xây dựng nhằm thúc đẩy công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngành xây dựng, đồng thời xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot in 3D bê tông hoạt động như thế nào?
    Robot sử dụng cấu hình tọa độ trụ với 3 bậc tự do để di chuyển đầu công tác trong không gian. Đầu công tác được trang bị trục vít tải đùn vữa bê tông theo lớp, tạo thành các bức tường xây dựng theo mô hình CAD. Quá trình in được điều khiển tự động với tốc độ và lưu lượng vật liệu được kiểm soát chính xác.

  2. Vật liệu bê tông in 3D có gì khác biệt so với bê tông truyền thống?
    Vật liệu in 3D được cải tiến bằng cách sử dụng xi măng Portland hỗn hợp kết hợp phụ gia hóa dẻo Sikament R4 và sợi nhựa tái chế, giúp tăng độ dẻo, độ đứng vững và cường độ bê tông, đồng thời giảm thời gian ninh kết, phù hợp cho quá trình in từng lớp liên tục.

  3. Robot có thể in được kích thước công trình lớn không?
    Hiện tại robot được thiết kế với không gian làm việc chiều cao 1,2 m và đường kính 2,4 m, phù hợp cho các mô hình hoặc phần tường nhỏ. Tuy nhiên, thiết kế có thể mở rộng để phục vụ công trình lớn hơn trong tương lai.

  4. Động cơ và bộ truyền động được lựa chọn dựa trên tiêu chí nào?
    Động cơ Delta ECMA series 21310RS được chọn dựa trên công suất tối thiểu 322 W, tốc độ quay 1800 vòng/phút và mô men xoắn phù hợp với tải trọng robot. Bộ truyền trục vít me-đai ốc của hãng THK đảm bảo hiệu suất cao (0,99) và độ bền cơ học đáp ứng yêu cầu vận hành.

  5. Ứng dụng thực tế của robot in 3D trong xây dựng tại Việt Nam ra sao?
    Hiện tại, robot in 3D trong xây dựng tại Việt Nam còn mới mẻ, chủ yếu ứng dụng trong nghiên cứu và mô hình thử nghiệm. Tuy nhiên, với sự phát triển công nghiệp hóa và tự động hóa, công nghệ này có tiềm năng lớn để rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí và nâng cao chất lượng công trình trong tương lai gần.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công robot in 3D bê tông với cấu hình tọa độ trụ, hoạt động ổn định trong không gian làm việc giới hạn.
  • Vật liệu bê tông cải tiến với phụ gia hóa dẻo và sợi nhựa tái chế đáp ứng yêu cầu về độ dẻo, độ đứng vững và cường độ, phù hợp cho công nghệ in 3D.
  • Tính toán truyền động và lựa chọn động cơ, bộ truyền đảm bảo hiệu suất cao và độ bền cơ học, đáp ứng yêu cầu vận hành robot.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ tự động hóa trong ngành xây dựng Việt Nam, mở ra hướng phát triển công nghiệp hóa.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu về không gian làm việc robot, vật liệu thân thiện môi trường, hệ thống điều khiển và đào tạo nhân lực để nâng cao hiệu quả ứng dụng.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm mở rộng, hoàn thiện phần mềm điều khiển và hợp tác với doanh nghiệp để ứng dụng thực tế. Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để cùng phát triển công nghệ robot in 3D trong xây dựng.