Nghiên cứu thiết kế Robot in 3D trong xây dựng sử dụng vật liệu mới

Đề tài nghiên cứu thiết kế robot in 3D trong xây dựng, trình bày chi tiết từ tính toán, mô phỏng đến lựa chọn vật liệu mới và thực nghiệm.

• Tác giả: Đỗ Phước Bảo Long
• Người hướng dẫn: Phan Thị Thu Thủy
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Robot in 3D bê tông sử dụng vật liệu mới
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot In 3D Trong Xây Dựng

Robot in 3D xây dựng đại diện cho một cuộc cách mạng công nghệ trong lĩnh vực xây dựng hiện đại. Công nghệ này sử dụng máy in 3D để tự động xây dựng các công trình kiến trúc với độ chính xác cao và hiệu quả vượt trội. Tại các quốc gia phát triển như Dubai, những tòa nhà hoàn chỉnh đã được xây dựng hoàn toàn bằng robot in 3D, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của công nghệ này. Việc áp dụng robot xây dựng tự động giúp rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí nhân công, và nâng cao chất lượng công trình. Đây là một ý tưởng hoàn toàn mới trong ngành xây dựng Việt Nam, mở ra những cơ hội phát triển bền vững cho lĩnh vực này.

1.1. Tình Hình Phát Triển Toàn Cầu

Trên toàn thế giới, công nghệ in 3D xây dựng đang phát triển nhanh chóng với những dự án tiêu biểu tại Dubai, Trung Quốc và các nước Châu Âu. Những đột phá này chứng minh rằng robot in 3D có khả năng xây dựng các cấu trúc phức tạp, tiết kiệm tối đa tài nguyên và nhân lực. Các nghiên cứu cho thấy công nghệ này giảm chi phí xây dựng từ 30-50% và rút ngắn thời gian thi công một nửa.

1.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Tại Việt Nam

Với tốc độ phát triển đô thị nhanh chóng, Việt Nam có nhu cầu rất lớn đối với robot xây dựng hiện đại. Việc đầu tư vào công nghệ in 3D sẽ giúp giải quyết bài toán thiếu hụt lao động trong ngành xây dựng và nâng cao năng suất lao động. Robot in 3D bê tông có thể ứng dụng trong xây dựng nhà ở, công trình công cộng và các dự án quy mô lớn.

II. Thiết Kế Robot In 3D Các Phương Án Truyền Động

Thiết kế robot in 3D yêu cầu phải xem xét kỹ lưỡng các phương án truyền động để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu. Quá trình thiết kế bao gồm việc sử dụng các phần mềm mô phỏng hiện đại như Solidworks để vẽ thiết kế 3D chi tiết và Matlab để tính toán động học robot và quỹ đạo chuyển động. Các thông số kỹ thuật như công suất động cơ, tỷ số truyền, và tải trọng cần được tính toán chính xác. Mô phỏng kết cấu robot giúp xác định các điểm yếu và tối ưu hóa thiết kế trước khi sản xuất. Việc lựa chọn phương án truyền động tối ưu là yếu tố quyết định đến hiệu quả và tuổi thọ của robot xây dựng tự động.

2.1. Phương Án Truyền Động Tối Ưu

Các phương án truyền động cần được đánh giá dựa trên tiêu chí hiệu quả, độ bền, chi phí và khả năng điều khiển. Robot in 3D sử dụng hệ thống truyền động cơ-điện kết hợp với các động cơ delta để đảm bảo chuyển động chính xác. Phương án được lựa chọn phải có khả năng chịu tải cao và hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường xây dựng khắc nghiệt.

2.2. Mô Phỏng và Tính Toán Động Học

Động học robot bao gồm động học thuận (thuận) và động học nghịch để xác định vị trí và quỹ đạo chuyển động của đầu công tác. Mô phỏng trong Matlab cho phép kiểm tra tính chính xác của chuyển động trước khi thực thi. Việc tính toán động lực học robot giúp xác định lực và mô men cần thiết cho mỗi khớp của robot.

III. Vật Liệu Mới Cho In 3D Xây Dựng

Vật liệu in 3D là yếu tố crit ical quyết định đến chất lượng và độ bền của công trình xây dựng. Robot in 3D bê tông sử dụng các hỗn hợp bê tông đặc biệt được thiết kế để phù hợp với quy trình in tự động. Bê tông in 3D bao gồm xi măng Portland, cát, đá cuội, nước, và các phụ gia hóa học đặc biệt. Sikament R4 là một loại phụ gia hiện đại giúp cải thiện độ lưu động của bê tông, cho phép robot xây dựng in các lớp có độ chính xác cao. Các thành phần khoáng chính của xi măng như CaO, SiO₂, Al₂O₃, và Fe₂O₃ ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian kết cứng và cường độ vật liệu. Nghiên cứu về vật liệu mới không chỉ tăng hiệu suất in mà còn giảm tác động môi trường.

3.1. Thành Phần và Tính Chất Bê Tông In 3D

Bê tông in 3D được pha trộn theo tỷ lệ chính xác để đảm bảo độ thẩm thấu, độ bền, và khả năng in. Xi măng Portland cấu tạo nên 10-15% thành phần, kết hợp với phụ gia hóa học để kiểm soát thời gian lỏng. Quá trình thủy hóa xi măng phát sinh nhiệt, ảnh hưởng đến tốc độ kết cứng của vật liệu in.

3.2. Cải Tiến Vật Liệu và Thử Nghiệm

Thử nghiệm tỷ lệ pha trộn được thực hiện để tìm ra công thức tối ưu cho robot in 3D. Phụ gia như Sikament R4 được kiểm tra về hiệu quả cải thiện độ lưu động và thời gian kết cứng. Các thí nghiệm vật liệu bao gồm kiểm tra độ bền nén, độ thấm nước, và khả năng chống nén suốt thời gian dài.

IV. Hệ Thống Điều Khiển và Triển Khai Thực Tế

Hệ thống điều khiển robot in 3D là trái tim của toàn bộ quy trình in tự động. Hệ thống này bao gồm các bộ điều khiển PLC, động cơ step hoặc động cơ servo, và các cảm biến để giám sát quá trình in. Mạch điều khiển được lập trình để điều chỉnh tốc độ in, độ cao lớp, và vị trí in chính xác. Quá trình xử lý phần mềm bao gồm việc lập bản vẽ 3D, xử lý file in, và tạo tín hiệu điều khiển từ file CAD. Hệ thống điện điều khiển sử dụng giao tiếp truyền thông tiên tiến để đảm bảo tính đồng bộ và ổn định. Các thử nghiệm robot cho thấy hệ thống hoạt động ổn định với khả năng áp dụng cao vào thực tiễn xây dựng.

4.1. Cấu Trúc Hệ Thống Điều Khiển

Bộ điều khiển robot được thiết kế để xử lý các tín hiệu phức tạp từ đầu cảm biến. Động cơ delta ECMA series được sử dụng để cung cấp chuyển động chính xác cho ba trục chính. Trục xoay và mâm xoay được tính toán để chịu tải trọng lớn từ đầu công tác in bê tông. Hệ thống được lập trình bằng các ngôn ngữ điều khiển tiên tiến để tối ưu hóa hiệu suất.

4.2. Quy Trình Vận Hành và Ứng Dụng

Quy trình in 3D bắt đầu từ việc chuẩn bị bề tông in 3D với tỷ lệ pha trộn chính xác, sau đó robot xây dựng tự động điều chỉnh quỹ đạo và tốc độ in. Thử nghiệm chạy cho thấy robot hoạt động ổn định, có khả năng in các công trình từ đơn giản đến phức tạp. Công nghệ này mở đường cho ứng dụng thực tiễn trong các dự án xây dựng lớn tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngành xây dựng luôn có vai trò to lớn trong quá trình phát triển của một quốc gia hay một đế chế và là ngành không thể thiếu trong mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử. Ở thời kỳ đồ đá, xây dựng chính là việc lựa chọn, sắp xếp và cải tạo các hang động, hốc cây trở thành nơi ẩn náu, lưu trữ thực phẩm, tích trữ của cải. Đến thời cổ đại, với sự lao động của đôi bàn tay và khối óc, những người thợ xây đã xây dựng các kim tự tháp, các kinh thành, các trường đấu to lớn.

Cho đến ngày nay, khi xã hội ngày càng văn minh thì nhu cầu xây dựng của con người ngày càng phức tạp. Tuy nhiên, cách xây nhà đã không thay đổi từ thời trung cổ. Sự trì trệ trong xây dựng nhà đã không theo kịp nhu cầu và tăng trưởng dân số. Điều này đã góp phần vào một cuộc khủng hoảng nhà ở đang gia tăng.

Phương pháp xây nhà truyền thống là không hiệu quả và lãng phí. Những vấn đề quan trọng này đã thúc đẩy chi phí vượt qua điểm khả năng chi trả cho người bình thường. Chi phí cao cũng có nghĩa là cung cấp nơi trú ẩn đầy đủ ở các nước đang phát triển có thể gần như không thể. Người thu nhập thấp không thể mua được nhà.

Sự thật là vậy những người lao động với thu nhập thấp và kể cả không ổn định, việc mua hoặc xây dựng nhà ở với giá vài chục nghìn đô là điều không thể với họ. Thực tế hiện nay hơn 1 tỷ người không có chỗ ở đúng nghĩa. Đa số dân cư sinh sống trên thế giới hiện nay đã có chỗ ở lý tưởng của mình. Tuy nhiên do sự phân chia giàu nghèo của các nước trên thế giới vẫn còn rất nhiều, nên một bộ phận không nhỏ người dân vẫn chưa có nơi ở thực sự tốt dành cho họ.

Hằng ngày, tại Hong Kong, trung tâm tài chính giàu có ở châu Á, thuê nhà là một trong những vấn đề lớn nhất mà người lao động và chính phủ đang vướng mắc. Dân số Hong Kong khoảng 7,3 triệu người, trong đó 200.000 người, bao gồm 35.500 trẻ dưới 15 tuổi, đang sống trong "căn hộ được chia nhỏ ". Con số này tăng 18% so với 4 năm trước và không bao gồm hàng nghìn người đang sống tại những nơi như lều trên tầng thượng, căn hộ phân chia bằng lồng sắt và "nhà quan tài" là những phòng nhỏ bằng gỗ xếp chồng lên nhau. Hong Kong thường xuyên đứng đầu trong các cuộc khảo sát giá bất động sản toàn cầu.

Giá nhà ở đây cao gấp 19 lần thu nhập trung bình của một người. Chính vì vậy mà việc mua 2 nhà là một trở ngại rất lớn đối với những người có thu nhập thấp. Họ không thể chi trả nổi những khoản chi phí đắt đỏ để sở hữu một căn nhà cho riêng mình. Xây nhà là không hiệu quả và lãng phí.

Để hoàn thành một căn nhà đòi hỏi tiêu tốn khá nhiều thời gian, nhân lực, kể cả chi phí nguyên vật liệu. Chưa tính trong lúc thi công sự hao hụt vật liệu và điều kiện thời tiết gây nên sự lãng phí tiền của. Chính vì vậy chúng ta cần một giải pháp để giải quyết sự thiếu hiệu quả của việc xây nhà bằng phương pháp thủ công này. Gần đây việc ứng dụng Robot, máy tự động vào việc phát triển các ngành công nghiệp đang được đẩy mạnh tại các nước trên thế giới.

Nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt. Chính vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu phát triển Robot để phục vụ cho ngành xây dựng là một vấn đề cấp thiết hiện nay đặt biệt khi Việt nam muốn công nghiệp hóa sản xuất trên mọi lĩnh vực hiện nay. Nhận thấy được sự phát triển mạnh mẽ của in 3D trong lĩnh vực gia công chế tạo cùng với sự ra đời của robot ống trụ nên chúng em quyết định nghiên cứu ứng dụng loại robot này vào trong thực tế chính là việc in 3D vữa bê tông để tạo ra sản phẩm cuối cùng chính là những ngôi nhà đáp ứng được các yêu cầu như một ngôi nhà được xây dựng theo phương pháp truyền thống. Tình hình nghiên cứu 1.

Ngoài nước Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu về ứng dụng Robot để tự động hóa xây dựng. Các nghiên cứu sử dụng nhiều cấu trúc Robot khác nhau. Trong đó, các Robot song song, Robot tọa độ trụ, Robot tạo độ cầu hay Robot có cơ cấu ba trục tịnh tiến là những Robot được áp dụng phổ biến vào ngành xây dựng. Những nghiên cứu không chỉ giới hạn ở việc xây dựng nhà mà còn mở rộng như xây dựng tượng kích thước lớn, những kết cấu trang trí.

Năm 2019, một tòa nhà xây dựng bằng phương pháp áp dụng công nghệ in 3D lớn nhất thế giới ở Dubai đã được hoàn thành nhờ vào Robot in 3D vữa bê tông được cung cấp bởi Apis Cor.1: Tòa nhà được xây dựng bằng Robot in 3D bê tông ở Dubai do công ty Apis Cor phát triển [1] Chiều cao 9,5 m Diện tích 640 m2 Bảng 1.1 Kích thước ngôi nhà in 3D tại DuBai Tường Được xây dựng bằng phương pháp in 3D bê tông Vật liệu in 3D Hỗn hợp vật liệu đã được pha trộn Gia cố cho tòa nhà Cốp pha in 3D cho các cột được đổ thủ công bằng cốt thép và bê tông nặng Mái nhà, cửa sổ, cách nhiệt Được thi công và lắp đặt sau Bảng 1.2 Những đột phá của dự án tòa nhà lớn nhất thế giới được xây dựng bằng Robot in 3D bê tông 1. Trong nước Hiện tại, ở Việt Nam chỉ áp dụng một số máy móc tự động vào các công việc độc lập như ứng dụng máy phun vữa để trát tường, các máy móc hỗ trợ cho việc xây dựng. Nhưng việc áp dụng Robot để xây dựng hoàn toàn một ngôi nhà thì chưa. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1.

Nhiệm vụ đề tài 4 Từ vấn đề đặt ra và nghiên cứu tìm hiểu nhóm đã đặt ra mục tiêu của đề tài là thiết kế và gia công cơ khí cho Robot tọa độ trụ để ứng dụng cho việc xây dựng. Robot sau khi hoàn thiện việc thiết kế, gia công sẽ được điều khiển để thực hiện nhiệm vụ in 3D để tạo ra các sản phẩm cuối cùng là các mô hình nhà cửa để phục vụ xây dựng. Cụ thể là nghiên cứu tìm hiểu các tính chất của vữa bê tông và thực nghiệm. Từ đó làm nguyên liệu để in 3D đảm bảo độ vững chắc và đứng vững cho ngôi nhà.

Sau đó thiết kế tính toán để đưa ra cơ cấu Robot phù hợp. Tiến hành thi công chế tạo để hoàn thiện Robot. Sau đó chạy thử nghiệm Robot trong thực tế để hiệu chỉnh và đánh giá 1. Giới hạn nghiên cứu của đề tài Do những hạn chế về thời gian và quá trình thi công nên đề tài chỉ nghiên cứu thi công Robot có không gian hoạt động 1,2 m chiều cao và rộng là hình tròn đường kính 2,4 m.

Robot sử dụng vật liệu bê tông được cải thiện tính chất. Robot kh hoàn thiện có giao diện tương tác với người sử dụng để giám sát quá trình hoạt động. Sản phẩm của Robot là những mô hình hoặc những phần tường với kết cấu từng lớp vật liệu xếp chồng lên nhau. Chiều cao mỗi lớp in là 20 mm và chiều rộng của mỗi đường in là 40 mm 1.

Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài các phương pháp sau đã được lựa chọn và sử dụng: 1. Phương pháp tham khảo tài liệu Dựa trên những lý thuyết đã được học tập cùng với việc tham khảo sách đặc biệt là những bài báo khoa học để đưa ra cơ cấu tối ưu nhất cho robot. Đưa ra được các yêu cầu của vật liệu in và đặc điểm của từng cơ cấu Robot. Phương pháp thiết kế Thiết kế Robot trụ dựa trên những yêu cầu đã đưa ra.

Từ các thông số thiết kế ra để tính toán lựa chọn bộ truyền, tính sức bền cho các chi tiết cũng như cả Robot. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm khoa học: tiến hành các thí nghiệm, thực nghiệm để đánh giá các cơ cấu và phương án đã chọn. Đồng thời thực nghiệm để tạo ra nguồn vật liệu để in bê tông xây nhà đáp ứng những yêu cầu đặt ra. Phương pháp phân tích tổng hợp 5 Thu thập các thông tin có liên quan đến đề tài từ các nguồn như sách tham khảo, các bài báo khoa học.

Sau đó tổng hợp theo từng phần cụ thể để ứng dụng vào Robot tọa độ trụ theo như các yêu cầu đã được đặt ra. Nội dung Đầu tiên tiến hành nghiên cứu cơ cấu Robot để đánh giá ưu nhược điểm. Từ đó lựa chọn cơ cấu phù hợp nhất. Sau đó nghiên cứu động học của cơ cấu Robot được chọn.

Tiến hành tính toán thiết kế cơ khí dựa vào cơ cấu đã đưa ra. Nghiên cứu hệ thống điện và điều khiển cho Robot. Sau khi hoàn thiện Robot tiến hành thực nghiệm để đánh giá cơ cấu cơ khí, hệ thống điện, điều khiển và vật liệu in. Hiệu chỉnh Robot để hoạt động tối ưu.

Phương pháp in 3D In 3D, hay sản xuất phụ gia, là việc xây dựng một vật thể ba chiều từ mô hình CAD hoặc mô hình 3D kỹ thuật số. Thuật ngữ in 3D bao gồm một số công nghệ sản xuất xây dựng các bộ phận theo từng lớp. Mỗi loại khác nhau về cách chúng tạo thành các bộ phận bằng nhựa và kim loại và có thể khác nhau về lựa chọn vật liệu, độ hoàn thiện bề mặt, độ bền, tốc độ sản xuất và chi phí. Có một số loại sơn lót 3D.

Bao gồm: Stereolithography (SLA): Stereolithography (SLA) là quy trình in 3D công nghiệp ban đầu. Máy in SLA xuất sắc trong việc sản xuất các bộ phận có độ chi tiết cao, bề mặt hoàn thiện mịn và dung sai chặt chẽ. Bề mặt chất lượng hoàn thiện trên các bộ phận SLA, không chỉ trông đẹp mắt mà còn có thể hỗ trợ chức năng của bộ phận, chẳng hạn như kiểm tra độ vừa khít của một bộ phận lắp ráp.