Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Trong xã hội hiện đại ngày nay, con người không ngừng cải tiến, đổi mới và phát khoa học kỹ thuật để nâng cao chất lượng đời sống, học tập, làm việc, … Công cuộc đẩy mạnh nghiên cứu, phát triển khoa học kỹ thuật đa ngành nghề trên toàn cầu đã tạo nên rất nhiều thành tựu có ý nghĩa quan trọng; trong đó các thành tựu từ công nghệ in 3D có thể áp dụng một cách hiệu quả ở đa ngành nghề. Các sản phẩm in 3D rất đa dạng về vật liệu cấu tạo, kích thước và hình dáng hình học từ đơn giản đến phức tạp. Trong ngành công nghiệp xây dựng, công nghệ in 3D hiện nay đã và đang được đẩy mạnh nghiên cứu chế tạo và áp dụng tại nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới. Công nghệ in 3D trong lĩnh vực chế tạo các sản phẩm từ nhựa [1] Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau được dùng để khái niệm về Công nghệ in 3D, bên cạnh những tên khác như Công nghệ sản xuất đắp dần, Công nghệ tạo mẫu nhanh, Công nghệ chế tạo nhanh và Công nghệ chế tạo trực tiếp,.
Như vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra 12 đời dựa trên cơ chế hay tính chất của công nghệ; quá trình này trái ngược với công nghệ sản xuất cắt gọt, mài giũa truyền thống được dùng trong các ngành công nghiệp chế tạo trước đây. Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials – ASTM) thì “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay”. Các khái niệm về in 3D đã được hình dung từ những năm từ những năm 1970 nhưng các thí nghiệm đầu tiên được thực hiện từ những năm 1980 [1], [2]. Vào năm 1986, kỹ sư vật lý người Mỹ Charles Hull - người đặt nền móng cho công nghệ in 3D đã sáng tạo ra một quá trình gọi là “Stereolithography” giúp sản xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser.
Sau đó Hull thành lập công ty 3D Systems - một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực sản xuất đắp dần [3]. Từ đó các ứng dụng của công nghệ 3D ngày càng được đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau, từ các lĩnh vực vĩ mô như hàng không, vũ trụ, quốc phòng đến các ngành nghề cơ bản như y tế, giáo dục, nghệ thuật, thời trang hay cả ẩm thực, đồ dùng sinh hoạt gia đình, … Trong đó công nghệ in 3D trong ngành xây dựng hiện nay tuy chỉ mới nghiên cứu ứng dụng ở giai đoạn đầu nhưng đã cho một số kết quả khả quan. Ngoài ra công nghệ in 3D cũng có thể in ra các mô hình kiến trúc, thiết kế căn hộ để phục vụ cho việc trưng bày hoặc kiểm tra lại thiết kế. Vật liệu áp dụng phổ biến nhất cho công nghệ in 3D trong xây dựng hiện nay chủ yếu là nhựa, cát hoặc vữa.
Với rất nhiều nỗ lực nghiên cứu để nâng cao về chất lượng, tốc độ, chi phí vật liệu, chi phí lao động và cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động đến môi trường thì công nghệ in 3D đã và đang dần chứng minh tính hiệu quả cao trong lĩnh vực xây dựng hiện nay. Ứng dụng công nghệ 3D trong lĩnh vực xây dựng 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Peng Wu đã đánh giá về tầm quan trọng của công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng. Tác giả phân tích và đưa ra đánh giá về khả năng tùy biến được tăng lên, thời gian xây dựng, nhân lực và chi phí xây dựng giảm đi. Bên cạnh đó tác giả cũng chỉ ra về một số lưu ý cần khắc phục là các thử nghiệm và cải tiến công nghệ còn rời rạc, mức độ hiểu biết về công nghệ chưa được tối ưu, tiềm năng triển khai các dự án xây dựng sử dụng công nghệ in 3D bị hạn chế, … Do đó cần phải hiểu rõ về công nghệ để khắc phục khuyết điểm và ứng dụng tốt hơn trong tương lai.
[4] So sánh với phương pháp thi công truyền thống, sản phẩm in 3D giảm được lượng vật liệu thừa, chi phí ván khuôn và tối thiểu hóa nguồn nhân lực. Với kết quả đạt được trong 14 nghiên cứu của Rouhana [5] đã chỉ ra rằng chi phí có thể giảm đến 40% tổng ngân sách cho quá trình xây dựng. Peng Feng và các cộng sự đã nghiên cứu về các tính chất cơ học của sản phẩm in 3D sử dụng vữa gốc xi măng. Tác giả thực hiện các thí thí nghiệm nén và uốn mẫu để xác định các tính chất cơ học của sản phẩm in 3D và dát mỏng các lớp in với độ định hướng rõ ràng.
Kết quả thu được là mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng cũng như mức độ hỏng hóc và phá hủy của sản phẩm chịu sự ảnh hưởng rất lớn từ hướng in (in theo chiều dài hoặc in theo chiều rộng của sản phẩm in)[6]. Có ba phương pháp in được sử dụng phổ biến hiện này là đùn vữa, Powder Based và D-Shape techniques [7,8,9]. Mỗi phương pháp có những lợi thế riêng. Phương pháp đùn vữa tạo ra sợi vữa có tiết diện không đổi, chồng lên nhau, phù hợp cho cấu kiện lớn, tuy nhiên gặp trở ngại liên quan đến vật liệu sử dụng và tiến trình in để đảm bảo độ vững chắc cho mỗi lượt rãi vữa.
Phương pháp Powder Based và D-Shape techniques cơ bản có cùng nguyên tắc in, và khắc phục được hầu hết nhược điểm của kỹ thuật đùn, tuy nhiên chỉ ứng dụng ở những cấu kiện nhỏ và trong phòng thí nghiệm, tính ứng dụng thực tế cho ngành xây dưng không được đánh giá cao. Khi ứng dụng kỹ thuật đùn vữa trong công nghệ in 3D, nhằm khắc phục nhược điểm liên quan đến độ bề vững của mỗi lớp vữa sau khi rãi, nhiều nghiên cứu đã sử dụng sợi trong cấp phối để cải thiện đặc điểm bất lợi này [10-11]. Tuy nhiên không phải lúc nào sợi cũng luôn được sử dụng, bởi vật liệu này cũng làm giảm độ dẻo và cường độ của vữa sau khi thành phẩm.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện chưa tìm thấy các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.3 Tính cấp thiết của đề tài Xuất phát từ khả năng ứng dụng rộng rãi trên thế giới của công nghệ in 3D trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp ô tô, điện tử, y tế, giáo dục, thực phẩm, đồ gia dụng, … đề tài tập trung nghiên cứu vật liệu xây dựng phục vụ cho công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng, góp phần đa dạng hóa tính ứng dụng của công nghệ này. Các vật liệu được nghiên cứu là vữa sao cho hỗn hợp đảm bảo tính công tác tốt, đóng rắn tốt khi thi công chế tạo.
Sản phẩm vữa được tạo ra đạt các yêu cầu về tính công tác, độ ổn định hình dáng. Công nghệ in 3D tạo ra các kết cấu hoặc các cấu kiện thay thế một phần cho công tác vữa truyền thống, giúp giảm nhân công và các ảnh hưởng khi thi công bằng tay. Đề tài nghiên cứu khả năng sử dụng nguyên vật liệu địa phương và ứng dụng công nghệ in 3D cho vật liệu xây dựng (vữa) tại Việt Nam.4 Mục tiêu của đề tài Đề tài nghiên cứu thiết kế cấp phối vữa phục vụ cho công nghệ in 3D. Với mục tiêu đảm bảo độ linh động, tính công tác của hỗn hợp trong quá trình nhào trộn và in 3D, đồng thời, sau khi in thì các lớp in nhanh chóng hóa rắn, không bị thay đổi hình dạng, không bị hư hỏng, đứt gãy và hình thành cường độ tốt để đảm bảo khối in không bị biến dạng.5 Nhiệm vụ của đề tài Xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu cát Xác định thành phần cấp phối hỗn hợp vữa phục vụ cho công nghệ in 3D với hàm lượng xi măng khác nhau Xác định độ lưu động của từng cấp phối Xác định sự thay đổi về cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn của các cấp phối So sánh sự thay đổi về cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn của các cấp phối 16 1.6 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu từ các tài liệu ngoài nước kèm theo đó là thực hiện các thí để kiểm tra, so sánh và đánh giá kết quả đạt được.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Hoàn thành thiết kế thành phần cấp phối vữa cho công nghệ in 3D, góp phần đa dạng hóa tính ứng dụng của công nghệ in 3D này vào lĩnh vực xây dựng.
Sản phẩm được sản xuất, chế tạo và thi công bằng máy móc, hạn chế được nhân công thi công. Ngoài ra, việc ứng dụng công nghệ in 3D vào chế tạo các sản phẩm đúc sẵn còn góp phần đa dạng hóa các công nghệ sản xuất cấu kiện đúc sẵn trong ngành xây dựng hiện nay. Tạo ra hướng nghiên cứu mới trong ngành xây dựng liên quan đến cộng nghiệp xây dựng tự động trong thời đại mới. Nâng cao chất lượng đào tạo nhân lực thông qua sự tham gia của người học đối với các dự án liên quan đến công nghệ 3D, đáp ứng tốc độ hội nhập công nghệ xây dựng từ các nước tiên tiến.
Đóng góp các kết quả thực nghiệm vào nguồn tài liệu, hỗ trợ cho công tác nghiên cứu trong lĩnh vực này.2 Ý nghĩa thực tiễn Đóng góp vào nguồn nguyên liệu cho công nghệ in 3D khi xét về tổng thể lợi ích mà công nghệ in 3D áp dụng cho xây dựng với nhiều lợi ích thiết thực. Chi phí: khi sử dụng công nghệ in 3D, thời gian xây dựng sẽ được rút ngắn (yếu tố thời gian) thông qua hoạt động máy móc và cắt giảm chi phí nhân công (yếu tố nhân lực) thông qua mô hình tự động hóa. Không tạo ra nguyên liệu thừa (yếu tố vật tư) hay hao hụt so với phương pháp xây dựng truyền thống và hơn hết là chi phí cho ván khuôn (yếu tố kỹ thuật thi công) kể cả khi xây dựng tại hiện trường hay trong nhà máy sản xuất vữa đúc sẵn. Khi công trình được kiểm soát thông qua máy tình, việc đánh giá dự án (yếu tố vận hành - quản lý) cũng được kiểm soát chặc chẽ hơn cả về ngân sách và tiến độ.