Bài tập lớn: Ứng dụng Công nghệ in 3D trong kiến trúc & xây dựng môn Năng lực số ứng dụng | Học viện Ngân hàng

HỌC VIỆN NGÂN HÀNG KHOA NGÂN HÀNG BÀI TẬP LỚN
CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ ỨNG DỤNG TRONG
LĨNH VỰC KIẾN TRÚC & XÂY DỰNG
Hà Nội, tháng 12/2023 MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH.................................................................................................
MỞ ĐẦU............................................................................................................................ 1.
Lý do lựa chọn đề tài......................................................................................2 2.
Mục tiêu..........................................................................................................2 3.
Đối tượng và phạm vi.....................................................................................2 4.
Phương pháp nghiên cứu...............................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ IN 3D...........................................................................
I. Khái niệm công nghệ in 3D...............................................................................3 II.
Nguồn gốc công nghệ in 3D............................................................................3
III. Đặc điểm của công nghệ in 3D.......................................................................4
IV. In 3D trong lĩnh vực kiến trúc.......................................................................5
CHƯƠNG 2. IN 3D TRONG LĨNH VỰC KIẾN TRÚC,..............................................
XÂY DỰNG.......................................................................................................................
I. Khó khăn của kiến trúc xây dựng truyền thống..............................................8 1.
Vật liệu kiến trúc xây dựng không thân thiện với môi trường................8 2.
Chi phí và thời gian thi công cao...............................................................8 3.
Hạn chế trong thiết kế và sửa chữa...........................................................9 4.
Tính linh hoạt và tùy chỉnh kém..............................................................10 II.
In 3D giải quyết những khó khăn trong lĩnh vực kiến trúc, xây dựng.....10 1.
Tạo khuôn mẫu và mô hình kiến trúc..........................................................10 2.
In 3D bê tông.............................................................................................11 3.
Đồ gá và dụng cụ cố định..........................................................................12 4.
Giảm thiểu thiệt hại, tai nạn thi công......................................................13
CHƯƠNG 3. TIỀM NĂNG IN 3D TRONG LĨNH VỰC.............................................
KIẾN TRÚC & XÂY DỰNG.........................................................................................
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 1.
Tổng kết........................................................................................................21 2.
Liên hệ và bài học.........................................................................................21
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. LỜI CAM ĐOAN
Chúng em xin cam đoan rằng những nội dung được trình bày trong bài tập lớn
môn Năng lực số ứng dụng này hoàn toàn là do chúng em tự thực hiện dựa trên sự hỗ
trợ và tham khảo từ các tài liệu, giáo trình liên quan, có trích nguồn rõ ràng và không
có sự sao chép nguyên bản từ các tài liệu đó. Nếu phát hiện bất cứ dấu hiệu sao chép
nào, chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2023 Đại diện nhóm DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Biệt thự Winsun được xây dựng bằng công nghệ in 3D...............................6
Hình 2. Biệt thự 2 tầng in 3D tại Trung Quốc..........................................................11
Hình 3. Dự án tạo đường nét cho ngôi nhà bằng bê tông.........................................12
Hình 4. Ngôi nhà đầu tiên đã hoàn thành tại dự án Wolf Ranch..............................16
Hình 5. Ngôi nhà in 3D của Apis Cor ở Nga...........................................................17
Hình 6. Dự án đập thuỷ điện sử dụng công nghệ in 3D ở Cao nguyên Tây Tạng....17
Hình 7. Ông Trần Văn Miền với ngôi nhà xây dựng bởi công nghệ in 3D..............18
Hình 8. Máy in 3D bê tông đầu tiên tại Việt Nam...................................................19
Hình 9. Ngôi nhà với diện tích 27m2.......................................................................19 1 MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
In 3D đã trở thành xu hướng công nghệ quan trọng trên thế giới và là một
trong những công nghệ chủ chốt của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Theo
các chuyên gia, đây cũng chính là “chìa khoá” công nghệ cho tương lai mà bất cứ
doanh nghiệp nào, ngành công nghiệp sản xuất nào và bất cứ quốc gia nào đều phải
chú ý. Hiện nay, các ứng dụng của công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển rộng
rãi, nó thâm nhập sâu từ các lĩnh vực công nghiệp vĩ mô như hàng không vũ trụ đến
các ngành cơ bản như thực phẩm, y tế, thời trang, giáo dục, đặc biệt là kiến trúc,
xây dựng tại Việt Nam. Trong báo cáo nghiên cứu, nhóm em sẽ phân tích những ưu
nhược điểm và ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực kiến trúc và xây dựng. 2. Mục tiêu
- Tìm hiểu về công nghệ in 3D và ứng dụng của in 3D trong lĩnh vực kiến trúc & xây dựng.
3. Đối tượng và phạm vi
- Đối tượng: công nghệ in 3D và ứng dụng trong lĩnh vực kiến trúc & xây dựng.
- Phạm vi: Giảng viên với sinh viên hiện nay.
4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp luận.
- Phương pháp thu thập số liệu.
- Phương pháp tổng kết từ kinh nghiệm.
- Phương pháp phân tích và tổng hợp.
-Phương pháp giả thuyết. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ IN 3D I.
Khái niệm công nghệ in 3D
In 3D là một dạng công nghệ được gọi là sản xuất đắp dần.
Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing
Materials - ASTM) đưa ra khái niệm về công nghệ sản xuất đắp dần: “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”. [5]
Tạp chí The Engineer của Anh định nghĩa: In 3D là một chuỗi các công đoạn
khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều. Trong in ấn 3D, các lớp vật
liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để
tạo ra vật thể. Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản xuất từ
một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu điện tử khác. [5]
Có nhiều thuật ngữ khác cũng được dùng để chỉ công nghệ in 3D như công
nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ chế tạo nhanh hay công nghệ chế tạo trực tiếp. Như
vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra đời dựa trên cơ chế hay tính chất của công nghệ.
Như vậy, tựu chung Công nghệ in 3D (Three Dimensional Printing) hay công
nghệ bồi đắp vật liệu, là một chuỗi kết hợp các công đoạn khác nhau để tạo ra một
vật thể ba chiều. Các lớp vật liệu sẽ được đắp chồng lên nhau một cách tuần tự dưới
sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể. II.
Nguồn gốc công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D ra đời đã được hơn 30 năm nay. Thiết bị và vật liệu sản
xuất đắp dần đã được phát triển trong những năm 1980.
Năm 1981: bằng sáng chế đầu tiên cho thiết bị sử dụng tia UV để xử lý
photopolymer (hình ảnh cứng polymer) được trao cho Hideo Kodama ở Nhật
Bản. Ông thiết kế nó để 'tạo mẫu nhanh' vì nó được thiết kế để tạo ra các mô
hình và nguyên mẫu, nhưng không có sự quan tâm và bằng sáng chế đã bị hủy bỏ.
Năm 1984: các nhà phát minh người Pháp Alain Le Mehaute, Olivier de
Witte, và Jean Claude André đã nộp bằng sáng chế, giống như của Hideo,
ánh sáng tia cực tím được sử dụng để xử lý các photopolyme. General 3
Electric đã từ bỏ bằng sáng chế với lý do thiếu tiềm năng kinh doanh đáng kể.
Năm 1986: Charles Hull đã sáng tạo ra quy trình Stereolithography – sản
xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser. Sau đó ông đăng ký bản
quyền cho công nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser
sintering - SLS) có sử dụng file định dạng STL (Standard Tessellation
Language). Hull cũng thành lập công ty 3Dsystems và đến nay nó là một
trong những công ty cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực in 3D.
Nếu lập biểu đồ thời gian thì ta sẽ thấy công nghệ in 3D phát triển theo một
biểu đồ logarit. Trong 20 năm đầu tiên, từ năm 1986 đến năm 2007, công nghệ in
3D chỉ có những bước đi chậm, nhỏ, là giai đoạn xâm nhập. Mãi cho đến năm 2009,
công nghệ mới có biến động lớn trên thị trường. Từ đó đến nay, in 3D đã dần phát
triển rộng rãi. Với việc sáng tạo của con người qua từng giai đoạn, công nghệ in 3D
đã được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, từ thiết kế, sản xuất linh kiện cho đến y học, xây dựng… III.
Đặc điểm của công nghệ in 3D 1. Ưu điểm
Khác với nhiều phương pháp gia công thông thường như cắt, tỉa, gọn, … với
nhiều công đoạn khá phức tạp, công nghệ in 3D mang lại nhiều ưu điểm nổi bật hơn…
- In 3D giúp giảm thiểu chi phí sản xuất:
Tiết kiệm chi phí nguyên vật liệu: Việc sử dụng máy in 3D thông minh cho
phép sản xuất sản phẩm bằng một khối lượng nguyên liệu nhỏ thay vì phải sử
dụng các công cụ, máy móc được lắp rắp từ nhiều chi tiết phức tạp khác nhau
khi sản xuất truyền thống. Điều đó giúp giảm chi phí cho các vật liệu sản xuất.
Giảm tốn kém cho công cụ và máy móc sản xuất: Với sản xuất truyền thống,
các công cụ, máy móc sản xuất phải cần phải thường xuyên mất chi phí bảo
trì, sửa chữa, trong khi đó in 3D giúp giảm sự cần thiết đó cho những máy móc công cụ phức tạp.
Giảm thiểu chi phí sản xuất: Trong sản xuất truyền thống, chi phí đầu tư cao
hơn, bao gồm chi phí đầu tư vào công cụ, trang thiết bị an toàn, nhân công
lao động, chi phí vận chuyển và lưu trữ sản phẩm. Việc sử dụng in 3D thông 4
minh giúp giảm thiểu nhiều chi phí kể trên nhờ sử dụng nguyên liệu, năng
lượng ít hơn và cải thiện quy trình sản xuất một cách tốt nhất.
- Tăng năng suất sản xuất:
In 3D giúp tiết kiệm thời gian: trước kia dùng phương pháp gia công nhiều
công đoạn trong quá trình sản xuất và thi công, nhờ in 3D mọi công đoạn đều
được rút ngắn. Ngoài ra, việc tạo ra các mẫu vật bằng các loại máy, trong
một thời gian nhất định, những sản phẩm có thể tạo ra nhanh chóng hơn.
Trung bình mỗi sản phẩm được tạo ra có thời gian hoàn thành từ 3-72 giờ,
thời gian hoàn thành phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng so với các phương
pháp truyền thống, in 3D đã giúp tiết kiệm phần lớn thời gian. Quy trình sản
xuất bằng máy in 3D thông minh thường nhanh hơn nhiều so với sản xuất truyền thống.
Sản xuất hàng loạt: Máy in 3D thông minh có thể sản xuất hàng loạt một
cách nhanh chóng và khả năng đồng bộ hóa quy trình sản xuất, giúp tăng năng suất sản xuất.
Tăng khả năng tùy chỉnh sản phẩm: Máy in 3D thông minh đáp ứng nhu cầu
của khách hàng bằng cách cho phép sản xuất sản phẩm có kích thước và hình dạng đa dạng.
Độ chính xác cao: So với dòng máy in công nghệ truyền thống, in trắng đen
hay màu thì công nghệ in 3D có độ chính xác cao hơn. Đặc biệt có thể đảm
bảo khi in ấn từng khối vật thể và lắp ráp thành một khối thống nhất.
Với sự phát triển nhanh chóng, công nghệ in 3D ngày càng có nhiều sự cải
tiến hơn, đa dạng hơn. Những ưu điểm của công nghệ này, đang được khai thác
và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống. 2. Nhược điểm
Dù có nhiều ưu điểm nổi bật, nhưng in 3D vẫn có những hạn chế nhất định.
- Giá thành cao: Máy in 3D thường có giá cao gấp 3-4 lần, thậm chí là hơn so
với giá thành của công nghệ in truyền thống tại Việt Nam.
-Khó khăn đối với người chưa thành thạo về công nghệ: Công nghệ in 3D có
nguyên lý hoạt động và cách thức sử dụng phức tạp, khác hẳn so với máy in
bình thường. Các file tích hợp trong máy cần được điều chỉnh, xử lý bằng
phần mềm, tạo thành file mới có thể cho vào máy in hoạt động.
-Kích thước phôi in giới hạn: Đa số các dòng máy in 3D trên thị trường đều
có phôi in giới hạn với kích thước khá nhỏ. Điều này một phần do thời gian 5
máy in vận hành lâu, ngoài ra nếu kích thước phôi lớn thì mất nhiều chi phí
và hầu hết nhu cầu thị trường không có. IV.
In 3D trong lĩnh vực kiến trúc
Trong hai thập kỷ qua, việc phát minh và thương mại hóa công nghệ in 3D là
một trong những bước tiến công nghệ thú vị nhất. Công nghệ in 3D đã và đang ứng
dụng rộng rãi trong đa dạng lĩnh vực khác nhau, và trong kiến trúc xây dựng cũng không phải ngoại lệ.
Trong gần hai thập kỷ qua, in 3D đã được ứng dụng trong hàng loạt các sáng
kiến và dự án xây dựng đầy tham vọng. Một số dự án được coi là dấu mốc quan
trọng bao gồm 2004: một giáo sư USC đã tạo ra bức tường in 3D đầu tiên và được
chấp nhận rộng rãi. Đây được coi là bước tiến đầu tiên của công nghệ in 3D vào
lĩnh vực xây dựng. Năm 2014: một ngôi nhà hoàn chỉnh trên kênh được xây dựng
bằng công nghệ in 3D tại Amsterdam. Năm 2016: Trung Quốc đã xây dựng thành
công một dinh thự lớn chỉ bằng công nghệ in 3D. Năm 2019 BAM đã mở trung tâm
in bê tông đầu tiên của Châu Âu tại Hà Lan. Và đã xây dựng một số cây cầu in 3D
trong toàn khu vực. Năm 2021: hàng loạt công ty xây dựng lớn trên thế giới đã ứng
dụng công nghệ in 3D để xây dựng phòng cách ly tạm thời cho bệnh nhân Covid- 19.
Hình 1. Biệt thự Winsun được xây dựng bằng công nghệ in 3D (Nguồn: Internet)
Giống như với hầu hết các ngành công nghiệp, bài toán đặt ra để tăng trưởng
là: Làm thế nào chúng ta có thể xây dựng nhanh hơn, tiết kiệm hơn, đơn giản hóa sự
phức tạp và thực hiện những điều trên một cách bền vững hơn? Ứng dụng in 3D
trong xây dựng mang đến cơ hội đáp ứng được tất cả những nhu cầu này.
Cho đến nay, các ngôi nhà in 3D có thể được xây dựng dựa trên kỹ thuật như sau: 6
Máy in 3D tạo ra các bức tường rỗng bằng phương pháp lắng đọng hàng trăm lớp bê tông lỏng.
oĐầu đùn của máy in có thể được hỗ trợ bằng cần trục hoặc cánh tay robot.
oHỗn hợp bê tông phải đủ lỏng để có thể dễ dàng đùn ra bằng vòi phun.
Nhưng không được quá nhiều để tạo thành các lớp đồng đều.
oKhông cần dùng bất kỳ ván khuôn hoặc cấu trúc cố định nào cho đến khi bê tông đông cứng.
oNgay sau khi bê tông đông cứng, vật liệu cách nhiệt được đưa vào
trong các hốc tường và các khe hở.
Các ống kỹ thuật lắp đặt trong nhà để dẫn hệ thống dây điện cũng có thể được in 3D.
Máy in 3D cũng có thể tạo ra các thành phần nội thất như là bếp nấu, bồn tắm.
Thời gian để hoàn thành một ngôi nhà in 3D mất từ 24h – 7 ngày, tùy thuộc
vào quy mô. Tuy nhiên, phương pháp trên khá phức tạp, cùng với đó là cần có một
máy in 3D đủ lớn để có thể bao quát được hết căn nhà. Do vậy, người ta đã nghĩ đến
một phương pháp nhỏ gọn hơn. Đó là in 3D từng bộ phận và lắp ráp chúng lại với
nhau để có được một ngôi nhà in 3D hoàn chỉnh. 7
CHƯƠNG 2. IN 3D TRONG LĨNH VỰC KIẾN TRÚC, XÂY DỰNG I.
Khó khăn của kiến trúc xây dựng truyền thống
1. Vật liệu kiến trúc xây dựng không thân thiện với môi trường
Hiện nay, những vật liệu xây dựng như bê tông, xi măng, sắt thép, gạch
nung… đều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường tự nhiên và con người. Các vật liệu
này gây ra rất nhiều vấn đề, bao gồm ô nhiễm môi trường, tiêu thụ năng lượng lớn
và làm suy giảm tài nguyên thiên nhiên. Đặc biệt, việc sử dụng vật liệu không thân
thiện với môi trường đã làm gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường, đẩy môi trường
vào tình trạng nguy hiểm. Đồng thời, việc sản xuất và sử dụng các loại vật liệu này
chiếm lượng năng lượng rất lớn và mất cân bằng trong việc sử dụng tài nguyên tự
nhiên, làm suy giảm tài nguyên và tạo ra những vấn đề đối với tương lai của nhân loại.
Đầu tiên, khi chế tạo và sản xuất các vật liệu trong kiến trúc xây dựng, quá
trình công nghiệp sẽ thải ra môi trường những khí gây hiệu ứng nhà kính như CO2,
CH4 hay phá hủy tầng ozon như CFC… Hơn nữa, trong quá trình sử dụng, các vật
liệu này có thể bị phân hủy thành các chất độc hại và gây ô nhiễm cho nguồn nước
và không khí. Khi vật liệu không thân thiện với môi trường được loại bỏ, chúng tạo
ra rác thải và ô nhiễm môi trường, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.
Kế tiếp, việc sản xuất và vận chuyển vật liệu không thân thiện với môi
trường như bê tông, cốt thép và gạch nung đòi hỏi năng lượng lớn trong quá trình
sản xuất và xây dựng. Những năng lượng này đều là năng lượng không tái tạo vì
vậy sẽ góp phần vào hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. Ngoài ra, quá trình xây
dựng cũng đòi hỏi nhiều năng lượng, từ công nghệ xây dựng cho đến hoạt động sử
dụng và bảo trì, ảnh hưởng rất lớn đến tiêu thụ năng lượng toàn cầu và tài nguyên năng lượng tự nhiên.
Cuối cùng, sử dụng vật liệu không thân thiện với môi trường dẫn đến sự suy
giảm nguồn tài nguyên thiên nhiên. Việc khai thác và sử dụng quá mức các nguồn
tài nguyên như cát, gỗ, đá không chỉ gây ra thiệt hại cho môi trường mà còn gây ra
những vấn đề xã hội và kinh tế. 8
2. Chi phí và thời gian thi công cao
Chi phí và thời gian thi công là hai vấn đề quan trọng trong kiến trúc xây
dựng. Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thi công và kết quả cuối cùng của dự
án. Khi chi phí và thời gian thi công cao, các nhà thầu và chủ đầu tư đều phải đối
mặt với những khó khăn và áp lực. Ngoài ra, nếu chi phí và thời gian thi công cao,
tổng mức đầu tư của dự án sẽ tăng theo và điều này có thể làm gia tăng rủi ro của tài
chính và gây ra khó khăn trong quản lý nguồn lực. Việc kéo dài thời gian thi công
cũng có thể làm tăng chi phí và ảnh hưởng đến lịch trình của dự án.
Một trong những thách thức lớn nhất của các nhà đầu tư phải đối mặt trong
quá trình thi công là sự biến động của thị trường và giá cả. Giá vật liệu tăng và tiền
trả cho công nhân lao động tăng có thể ảnh hưởng lớn đến chi phí và thời gian thi
công. Thêm vào đó, thời tiết không thuận lợi cũng có thể làm chậm tiến độ thi công và tăng chi phí.
3. Hạn chế trong thiết kế và sửa chữa
Trong quá trình thiết kế và sửa chữa kiến trúc xây dựng, có nhiều khó khăn
phải và thách thức phải đối mặt. Đó là vấn đề về kinh phí, thời gian và kiến thức chuyên môn
Đầu tiên là hạn chế về vấn đề kinh phí. Kinh phí hạn chế có thể ảnh hưởng
đến việc chọn lựa vật liệu, phương pháp và quy mô công trình. Nếu kinh phí không
đủ, các nhà thầu và chủ đầu tư có thể phải dùng vật liệu kém chất lượng hoặc không
đáp ứng được yêu cầu thiết kế. Đồng thời vấn đề thiếu kinh phí cũng ảnh hưởng đến
quy mô và tiến độ của dự án do sự giới hạn về tài nguyên và nhân lực. Vì vậy, vấn
đề kinh phí rất quan trọng trong thiết kế và sửa chữa kiến trúc xây dựng.
Hạn chế về mặt thời gian cũng là một trong những thách thức lớn trong quá
trình thiết kế và xây dựng. Thiết kế và sửa chữa một công trình đòi hỏi thời gian
nghiên cứu, lập kế hoạch và thực hiện. Tuy nhiên trong một số trường hợp thời gian
thực hiện công trình có thể bị hạn chế do yêu cầu cấp bách hoặc do áp lực của chủ
đầu tư. Điều này có thể gây ra rủi ro về chất lượng và sự thiếu tỉ mỉ chính xác trong
quá trình thi công. Do đó, quản lý thời gian là vô cùng quan trọng trong việc đảm
bảo thiết kế và sửa chữa được diễn ra đúng tiến độ.
Cuối cùng là hạn chế về kiến thức chuyên môn. Việc hiểu biết về các quy
định, các quy chuẩn và công nghệ là điều kiện cần để thực hiện dự án thành công.
Hạn chế về kiến thức chuyên môn có thể gây ra sai sót trong thiết kế và sửa chữa,
dẫn đến những kết quả không mong muốn, làm chất lượng của sản phẩm cuối cùng 9
không được hoàn hảo, có thể gây lãng phí tài nguyên và tác động tiêu cực đến môi trường.
4. Tính linh hoạt và tùy chỉnh kém
Tính linh hoạt và tùy chỉnh kém cũng là một hạn chế trong kiến trúc xây
dựng truyền thống. Không có sự linh hoạt và tùy chỉnh trong cấu trúc và thiết kế
dẫn đến hạn chế trong việc thay đổi thiết kế và không thể thích nghi với yêu cầu
thay đổi nhanh chóng của các nhà đầu tư.
Đầu tiên là tính linh hoạt và tùy chỉnh trong việc thay đổi thiết kế. Kiến trúc
xây dựng truyền thống không thể thay đổi các thành phần thiết kế một cách dễ dàng
và nhanh chóng. Điều này ảnh hưởng đến khả năng thay đổi công nghệ, vật liệu hay
phối cảnh của công trình. Sự hạn chế trong việc thay đổi thiết kế dẫn đến rủi ro xảy
ra sai lầm và ảnh hưởng đến chất lượng thẩm mĩ của công trình.
Tính linh hoạt và tùy chỉnh kém trong kiến trúc xây dựng làm cho việc thích
nghi với yêu cầu thay đổi nhanh chóng trở nên khó khăn. Khi có yêu cầu thay đổi
trong quá trình xây dựng như thêm hoặc bớt các phòng, thay đổi kích thước hoặc
chức năng của không gian, công trình gặp nhiều khó khăn để thích nghi vì cấu trúc
không linh hoạt và không thể thay đổi dễ dàng. Điều này kéo theo thời gian và công
sức lớn cho quá trình điều chỉnh và ảnh hưởng đến tiến độ xây dựng.
Thiếu sự linh hoạt trong việc thay đổi cấu trúc cũng là một vấn đề quan trọng
trong kiến trúc xây dựng. Cấu trúc của công trình xây dựng thường không được
thiết kế để thay đổi hoặc mở rộng dễ dàng trong tương lai. Điều này tạo ra khó khăn
khi có yêu cầu thay đổi cấu trúc như thêm hoặc thay đổi các phần của công trình.
Thiếu sự linh hoạt trong việc thay đổi cấu trúc dẫn đến mất thời gian và tăng chi phí
trong quá trình điều chỉnh, thích nghi và đáp ứng yêu cầu mới. II.
In 3D giải quyết những khó khăn trong lĩnh vực kiến trúc, xây dựng.
Công nghệ in 3D trong lĩnh vực kiến trúc có thể được coi là một bước tiến
lớn của lịch sử ngành xây dựng. Với máy in 3D, người ta đã có thể dễ dàng tạo ra
nhiều mô hình thử nghiệm công trình kiến trúc hay thậm chí là in 3D vật liệu xi
măng để dựng lên các bức tường nhà. Với tình trạng nhu cầu về nhà ở sẽ ngày càng
tăng cao trong tương lai. Và khi đó, công nghệ in 3D trong xây dựng chính là giải
pháp hữu hiệu để tăng năng suất cũng như giải quyết những khó khăn hiện tại đang
có của ngành kiến trúc, xây dựng. 10
1. Tạo khuôn mẫu và mô hình kiến trúc
In 3D cung cấp khả năng tạo mô hình và mẫu kiến trúc chính xác, giúp giảm thiểu
thời gian, tiết kiệm chi phí.
Tạo khuôn mẫu là một công việc khá tốn kém trong quá trình sản xuất.
Nhưng đó lại là công đoạn không thể thiếu trong ngành xây dựng và thường được
thực hiện theo cách thủ công. Việc tạo khuôn mẫu có thể mang lại nhiều khó khăn
trong giai đoạn đầu cũng như hạn chế khả năng cải tiến sản phẩm của doanh nghiệp,
công ty và đặc biệt là các công trình có quy mô lớn.
Với việc sử dụng công nghệ in 3D trong xây dựng vào hoạt động tạo khuôn
mẫu, các doanh nghiệp có thể tiết kiệm chi phí với các vật liệu kỹ thuật chất lượng
cao như sợi Carbon. Quy trình sản xuất tự động cùng tốc độ nhanh chóng chỉ bằng
một cú nhấp chuột sẽ nâng cao năng lực sản xuất trong ngành công nghiệp tiên tiến hiện đại ngày nay.
Nhiều dự án thành công đã chứng minh in 3D có thể xây một ngôi nhà chỉ
trong vài ngày. Và ví dụ điển hình chính là căn biệt thự 2 tầng do công ty HuaShang
Tengda ở Trung Quốc xây dựng chỉ vỏn vẹn trong 45 ngày! (Nguyễn, 2023)
Hình 2. Biệt thự 2 tầng in 3D tại Trung Quốc (Nguồn: Internet)
Đây là một khoảng thời gian nhanh hơn rất nhiều so với các phương pháp
truyền thống có thể mất đến hàng tháng hoặc hàng năm để hoàn thành một tòa nhà.
Và theo một nghiên cứu, in 3D còn giúp các doanh nghiệp tiết kiệm đến 60% thời gian và 80% lao động. 11 2. In 3D bê tông
Đảm bảo thân thiện với môi trường, giảm thiểu rác thải.
Nhìn chung, toàn bộ ngành xây dựng mang đến cho Trái Đất đến 40% lượng
rác thải. Vì thế mục tiêu hiện nay là nhắm đến xây dựng bền vững nhưng vẫn đảm
bảo thân thiện với môi trường.
In 3D là một quá trình sản xuất chỉ sử dụng các nguyên vật liệu cần thiết để
tạo ra cấu trúc. Nếu tích hợp nó với các phương pháp xây dựng tinh gọn thì việc xây
dựng một ngôi nhà không chất thải là điều có thể xảy ra. Do đó áp dụng kỹ thuật in
3D để tạo ra các khuôn đúc bê tông là một trong những phương án phát triển bền
vững cho ngành công nghiệp xây dựng.
Nhiều công ty đã nghiên cứu và sản xuất ra loại máy in bê tông cao để in ra
những bức tường hay những kết cấu bằng bê tông khô nhanh và có thể lắp ghép
thành những kiểu nhà khác nhau. Các quy trình công nghệ in 3D mới cũng giúp tối
ưu số lượng bê tông cần có cho việc xây dựng.
Hình 3. Dự án tạo đường nét cho ngôi nhà bằng bê tông (Nguồn: Internet)
Tuy chưa thực sự phát triển và phổ biến, nhưng so với các phương pháp xây
dựng truyền thống, in 3D bê tông giúp cải tiến chất lượng sản xuất, rút ngắn thời
gian, đảm bảo an toàn, sự linh hoạt và quan trọng nhất là thân thiện với môi trường hơn rất nhiều.
3. Đồ gá và dụng cụ cố định
Công nghệ in 3D đã đem lại sự đổi mới đáng kể trong việc tạo ra đồ gá và
dụng cụ cố định trong lĩnh vực kiến trúc và xây dựng. Khả năng này không chỉ giúp 12
tối ưu hóa quá trình xây dựng mà còn mang lại nhiều lợi ích về tùy chỉnh và hiệu suất.
Bằng cách sử dụng công nghệ in 3D, chúng ta có thể tạo ra các đồ gá và
dụng cụ cố định theo yêu cầu cụ thể của từng dự án. Điều này bao gồm việc tạo ra
các kẹp đa dạng, giúp giữ chặt các thành phần và vật liệu xây dựng một cách an
toàn và chính xác. Sự linh hoạt trong thiết kế và sản xuất của công nghệ in 3D cho
phép tạo ra các đồ gá với hình dạng và kích thước tối ưu cho mọi ứng dụng cụ thể.
Ngoài ra, công nghệ này cũng chủ yếu được sử dụng để tạo ra các dụng cụ cố
định như khuôn đúc và định hình. Điều này giúp giảm thời gian và chi phí so với
quá trình sản xuất truyền thống. Các khuôn được tạo ra bằng công nghệ in 3D đảm
bảo độ chính xác và đồng nhất, từ đó đảm bảo chất lượng cao cho các chi tiết xây dựng.
Đặc biệt, công nghệ in 3D mở ra khả năng tạo ra các dụng cụ đo lường và
kiểm tra chính xác. Việc này không chỉ giúp đảm bảo tính chuẩn xác của các công
trình xây dựng mà còn tối ưu hóa quy trình kiểm soát chất lượng.
4. Giảm thiểu thiệt hại, tai nạn thi công.
Công nghệ in 3D đang chơi một vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu
thiệt hại và tai nạn lao động trong lĩnh vực kiến trúc và xây dựng. Dưới đây là một
số cách mà công nghệ in 3D đóng góp vào mục tiêu này: 4.1.
Mô phỏng trước xây dựng (Pre-construction Simulation)
Công nghệ in 3D cho phép tạo mô hình 3D chi tiết của công trình trước khi
bắt đầu xây dựng. Điều này giúp các chuyên gia và nhà quản lý hiểu rõ hơn về mọi
khía cạnh của dự án, từ đó giảm nguy cơ thiệt hại và tai nạn do dự án không được
lập kế hoạch đúng cách. 4.2.
In 3D cho các thành phần xây dựng (3D Printing for Building Components)
Công nghệ in 3D cho phép sản xuất các thành phần xây dựng như tường, cột,
dầm, ...với độ chính xác cao. Các thành phần in 3D thường nhẹ hơn và có thể được
tạo ra với các thiết kế cấu trúc tối ưu, giảm nguy cơ tai nạn khi lắp đặt. 4.3.
Robots và Máy tự động hóa (Robots and Automation)
Sử dụng robot và máy tự động hóa trong quá trình xây dựng, kết hợp với in
3D, có thể giảm bớt nguy cơ cho lao động nhân công. 13
Robot có thể được lập trình để thực hiện các công việc nguy hiểm hoặc đòi hỏi sức
lực lớn, giảm bớt rủi ro cho người lao động. Tăng cường an toàn 4.4.
Lao động (Enhanced Safety Measures)
Công nghệ in 3D cũng có thể được sử dụng để tạo ra các mô hình đào tạo
thực tế ảo, giúp đào tạo lao động về an toàn xây dựng mà không cần phải đối mặt với rủi ro thực tế.
Thiết bị thực tế ảo (VR) và thực tế ảo (AR) có thể giúp công nhân làm quen với môi
trường làm việc mà không cần phải ở trên công trường thực tế. 4.5.
Quản lý Dự án Thông minh (Smart Project Management)
Sử dụng công nghệ in 3D kết hợp với các giải pháp quản lý dự án thông
minh giúp theo dõi tiến độ công trình, quản lý tài nguyên và giảm thiểu rủi ro lao
động. Dữ liệu thu thập từ các cảm biến và các công cụ theo dõi có thể giúp dự báo
về nguy cơ tai nạn và thiệt hại trước khi chúng xảy ra. 14
CHƯƠNG 3. TIỀM NĂNG IN 3D TRONG LĨNH VỰC
KIẾN TRÚC & XÂY DỰNG
Tương lai của công nghệ in 3D trong xây dựng là vô cùng hứa hẹn. Để đảm
bảo rằng công nghệ in 3D thực sự phát huy tối đa tiềm năng của nó, một số lĩnh vực
chính đang được nghiên cứu và phát triển.
Vật liệu tiên tiến: Các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất không ngừng phát
triển các vật liệu mới và bền vững có thể chịu được sự khắc nghiệt của quá
trình xây dựng. Những vật liệu này bao gồm bê tông được gia cố bằng sợi carbon và nhựa tái chế.
Tích hợp với Robot và AI: Việc tích hợp in 3D với robot và trí tuệ nhân tạo có
tiềm năng cách mạng hóa ngành xây dựng. Robot có thể được sử dụng cho
các nhiệm vụ như xử lý vật liệu và chuẩn bị địa điểm, trong khi thuật toán AI
có thể tối ưu hóa quy trình in để nâng cao hiệu quả. Với những tiến bộ trong
robot và tự động hóa, có thể triển khai máy in 3D từ xa, cho phép xây dựng
các tòa nhà ở những địa điểm khó khăn hoặc xa xôi. Điều này có thể có ý
nghĩa sâu sắc đối với các nỗ lực cứu trợ thiên tai và thám hiểm không gian,
nơi mà các phương pháp xây dựng truyền thống là không thể hoặc quá khó khăn.
Tích hợp IoT và Công nghệ thông minh: Việc kết hợp các thiết bị Internet of
Things (IoT) và công nghệ thông minh sẽ nâng cao hiệu quả, khả năng giám
sát và bảo trì. Các tòa nhà thông minh có cảm biến tích hợp và hệ thống quản
lý năng lượng, đây sẽ là nền tảng của thành phố thông minh.
Quy mô xây dựng mở rộng: Máy in 3D có khả năng xây dựng các công trình
lớn hơn, chẳng hạn như cầu và tòa nhà chọc trời, hiện đang được phát triển.
Khả năng mở rộng này mở ra những khả năng mới để xây dựng cơ sở hạ tầng
phức tạp và giảm đáng kể thời gian xây dựng.
In 3D tại chỗ: Máy in 3D di động và tại chỗ đang được thiết kế để hỗ trợ xây
dựng ở những vùng sâu vùng xa hoặc vùng bị thiên tai tàn phá, cung cấp giải
pháp tạm trú nhanh chóng và hiệu quả cho những người đó đang cần.
Tiềm năng nổi bật của công nghệ in 3D
Nhà ở bền vững: Công nghệ in 3D đã mang lại cơ hội xây dựng các ngôi nhà
bền vững hơn. Các ngôi nhà in 3D có thể được thiết kế để tiết kiệm năng 15
lượng và sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường, đồng thời cung cấp mô
hình cho những ngôi nhà tiêu biểu cho tương lai bền vững.
Xây dựng các công trình phức tạp: Công nghệ in 3D mở ra khả năng xây
dựng các công trình phức tạp, từ cầu vượt đường sắt đến tòa nhà cao tầng.
Công nghệ này cho phép tạo ra các chi tiết và cấu trúc chính xác với tính bền vững đáng kể.
Xây dựng trong điều kiện khắc nghiệt: Công nghệ in 3D cũng có tiềm năng
trong việc xây dựng trong điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như trong các
môi trường biển sâu hoặc trên mặt trăng. Các máy in 3D có thể sử dụng vật
liệu địa phương và in ra các cấu trúc phục vụ nghiên cứu và khai thác tài
nguyên trong các môi trường đặc biệt này. I.
Triển vọng của công nghệ in 3D trên thế giới
Mặc dù khái niệm in 3D trong xây dựng còn tương đối mới nhưng một số dự
án quan trọng trên khắp thế giới đã cho thấy tiềm năng của nó trên quy mô lớn.
Các dự án này cũng nêu bật những ứng dụng khác nhau của công nghệ in 3D
ngoài việc xây dựng thông thường:
Dự án Wolf Ranch tại Austin, Texas, Mỹ với 100 ngôi nhà in 3D, được xây
dựng bởi công ty Lennar và Icon, hợp tác với công ty kiến trúc nổi tiếng Bjarke
Ingels Group (BIG) là khu nhà in 3D có quy mô lớn nhất thế giới gồm 100 tòa nhà.
Vào mùa hè năm 2023, dự án đã ra mắt ngôi nhà hoàn thiện đầu tiên. Nó có thiết kế
cao cấp nhưng tối giản để mang lại cuộc sống thoải mái.
Hình 4. Ngôi nhà đầu tiên đã hoàn thành tại dự án Wolf Ranch (Nguồn: Internet) 16
Dự án Apis Cor ở Nga đã in thành công một ngôi nhà hoàn toàn tại chỗ chỉ
trong vòng 24 giờ. Thành tựu này chứng tỏ tốc độ và hiệu quả mà in 3D có thể
mang lại cho quá trình xây dựng. Chi phí để hoàn thiện ngôi nhà này khoảng 10.000 USD.
Hình 5. Ngôi nhà in 3D của Apis Cor ở Nga (Nguồn: Internet)
Dự án nhà máy thủy điện Yangqu ở Trung Quốc cao 180 mét được xây dựng
bằng công nghệ in 3D, hoàn thiện trong 2 năm và tạo ra gần 5 tỷ kWh điện mỗi năm.
Hình 6. Dự án đập thuỷ điện sử dụng công nghệ in 3D ở Cao nguyên Tây Tạng. (Nguồn: Internet) 17