Công nghệ in 3D trong xây dựng

In ấn 3D là một chuỗi các công đoạn khác nhau, được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều nhờ một loại robot công nghiệp là máy in 3D. Công nghệ này xuất hiện từ cuối những năm 1980 với cái tên công nghệ Rapid Prototyping (RP). Quy trình ban đầu được hình thành như là một phương pháp nhanh chóng và hiệu quả về chi phí để tạo nguyên mẫu để phát triển sản phẩm trong ngành tạo khối và các sản phẩm nguyên mẫu trong ngành công nghiệp.

Trong giai đoạn 1980 - 2007, do các khó khăn về chi phí đầu tư và sự bảo hộ về bản quyền, nền tảng công nghệ này mới chỉ có các bước đi nhỏ, được xem là giai đoạn bước nền tạo mẫu nhanh.

Tuy nhiên, bắt đầu từ năm 2009, khi nhiều bằng sáng chế về công nghệ này đã hết hạn bảo vệ bản quyền, trong đó có bẳng sở hữu Fuse Deposition Modelling (FMD), hay còn được biết đến là hình thức tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu rồi xếp đặt chồng lớp, vốn được sở hữu bởi Hãng Stratasys, công nghệ in 3D đã nhanh chóng nở rộ, thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia vào khai thác công nghệ này.

Công nghệ này sau đó được ứng dụng rộng rãi ở rất nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng.

Sử dụng các bản thiết kế vật thể 3D trên phần mềm CAD, một phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế xây dựng trên máy tính, toàn bộ cấu trúc bên ngoài và cả bên trong của vật thể hoặc khối kiến trúc được chia nhỏ thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông tin đến thiết bị sản xuất đắp dần. Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần sẽ tự chế tạo vật thể theo từng lớp một cho đến khi vật thể cần sản xuất được hoàn thiện.

Sau quá trình này, thường có thêm một vài khâu hoàn thiện sau sản xuất, như loại bỏ bụi bẩn hoặc các chất liệu khác bám trên sản phẩm. Ngoài ra, đôi khi cần thêm quá trình thêu kết để có thể phủ kín các lỗ hổng trên sản phẩm. Hoặc sử dụng một vài quá trình thẩm thấu để phủ kín sản phẩm bằng các vật liệu khác.

Theo nhiều nghiên cứu khoa học, áp dụng công nghệ in 3D vào thiết kế và sản xuất hàng hóa, sản phẩm, không chỉ tiết kiệm thời gian, mà còn tiết kiệm cả chi phí sản xuất, lao động thực hiện.

Ngay từ năm 2015, các công ty xây dựng tại Trung Quốc đã có thể xây cả tòa chung cư 6 tầng chỉ trong 1 ngày, hay xây căn biệt thự 2 tầng trong vòng vài giờ.

Từng bộ phận của ngôi nhà như tường, khung cửa... đều được tạo nên nhờ chiếc máy in 3D khổng lồ. "Mực" được sử dụng để in là hỗn hợp của các chất thải xây dựng như kính, thép và xi măng. "Mực" được phun vào từng lớp một cho tới khi tạo ra một bức tường dày. Được biết, công trình xây dựng này trị giá 2.500 - 3.000 nhân dân tệ mỗi m2. Trước đó, Công ty Xây dựng WinSun tại Trung Quốc cũng khánh thành căn hộ chung cư 5 tầng và biệt thự rộng 100 m2 được xây dựng bằng một máy in 3D cao 6,4 m, rộng 9,7m và dài 152 m.

Thống kê cho thấy, công nghệ này giúp tiết kiệm từ 30 - 60% các chất thải xây dựng, có thể làm giảm thời gian sản xuất khoảng 50 - 70% và tiết kiệm chi phí lao động từ 50 - 80%. Tổng chi phí cho một căn biệt thự như thế có giá khoảng 161.000 USD.

Tương lai rộng mở

Tại một hội nghị vào tháng 2/2017, khi nói về công nghệ in 3D tại hơn 40 dự án trên thế giới, các chuyên gia đã cho rằng, trong vòng 3 - 5 năm tới, việc áp dụng công nghệ in 3D trong xây dựng sẽ phá vỡ ngành xây dựng truyền thống. Điều đó đã được khẳng định hoàn toàn bằng các dự án áp dụng công nghệ in 3D trong xây dựng thành công, được thực hiện bên ngoài châu Âu và Mỹ như Trung Quốc, UAE và Philippines.

MX3D - công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Hà Lan, chuyên nghiên cứu và phát triển công nghệ in 3D đã có bước đột phá trong công nghệ này khi xây cầu đi bộ thành công bằng công nghệ phun thép nóng chảy trong không khí với một kết cấu “vô cùng phức tạp”, từ nhiều góc độ nhờ cánh tay của robot đa trục.

Với công nghệ này, có thể chế tạo vật thể có kết cấu đặc biệt phức tạp, đòi hỏi tinh xảo, chính xác mà các phương pháp gia công truyền thống không thể làm được. Có thể lấy ví dụ về một công trình đang nhận được nhiều sự quan tâm thời gian vừa qua tại Việt Nam là cầu Long Biên - một trong những biểu tượng của Thủ đô Hà Nội.

Sau gần một thế kỷ rưỡi tồn tại, cầu Long Biên đang có dấu hiệu xuống cấp, cần được cải tạo lại. Nhiều đề xuất cải tạo lại cầu Long Biên thành cầu đi bộ và trở thành Bảo tàng ký ức thế kỷ XX.

Một số ý kiến mới đây đề xuất, sau khi khôi phục cầu nguyên trạng ban đầu với 19 nhịp dầm thép, khung cầu sẽ được phủ bằng vật liệu trong để vẫn giữ đúng dáng cầu, mà tạo ra được không gian 12.500 m2 để trưng bày ký ức 3 cuộc đấu tranh của dân tộc Việt Nam bằng hiện vật và các loại hình nghệ thuật đặc sắc.

Đồng thời, hai bên thành cầu được nới rộng hơn để tạo thêm không gian đi bộ với nghệ thuật chiếu sáng và các hoạt động đường phố. Đoạn qua sông sẽ được nâng cao 3 m để tàu thuyền qua lại dễ dàng.

Cầu chỉ sử dụng năng lượng mặt trời, gió và nước sông Hồng. Đó sẽ là điểm du lịch độc đáo dài 2.000 m, tựa con rồng Thăng Long khổng lồ long lanh, nối dài phố cổ, ngang giữa trời và nước sông Hồng, sẽ là điểm du lịch lịch sử của Việt Nam và thế giới, nhằm đón hàng triệu khách du lịch tới Thủ đô.

Tuy nhiên, việc cải tạo với công nghệ xây dựng cầu thông thường như hiện nay không hề dễ dàng. Vào nửa cuối thế kỷ thứ 19, kỹ nghệ luyện thép của Pháp mới đạt trình độ sản xuất được thép cán hàm lượng cacbon thấp, có tỷ lệ tạp chất sulfur và phosphor cao, còn lẫn bọt khí trong tinh thể thép, nên khi liên kết và lắp ráp cấu kiện chỉ được dùng đinh tán, không được hàn.

Do ảnh hưởng của chiến tranh, đặc trưng cơ lý hóa của thép, cầu Long Biên đều yếu kém bởi sức phá hủy mạnh và chịu nhiệt quá cao, khả năng chịu tải của cầu hiện còn rất thấp. Vì vậy, điều này đòi hỏi phải có một công nghệ thi công hoàn toàn mới, vừa đảm bảo được kết cấu và khẩu độ giữa các nhịp dầm, vừa phải tiến hành thi công phủ bề mặt với nới rộng không gian như nêu trên.

Với công nghệ truyền thống, để làm được vừa tốn chi phí vừa có thể gây nguy hại về cầu. Tuy nhiên, điều này có thể giải quyết bằng công nghệ in 3D tiên tiến với công nghệ phun thép nóng chảy. Phương pháp này không in trên mặt phẳng như các công nghệ hiện nay (các lớp xếp chồng lên nhau theo hướng từ dưới lên), mà phun thép nóng chảy đan xen với nhau từ nhiều góc độ nhờ cánh tay robot đa trục. Từ đó, những hình khối, vật thể 3D với đủ loại kích thước, hình dạng được ra đời, không gây ảnh hưởng tới các khẩu nhịp cũ

Tất nhiên, từ lý thuyết tới thực tế còn cả quá trình dài, nhưng đã có rất nhiều thứ từ "không thể đã thành có thể" và mọi người hoàn toàn có thể tin tưởng vào tương lai triển vọng của công nghệ xây dựng bằng in 3D.