Công nghệ in 3D bê tông – Cơ hội và thách thức

(Xây dựng) - Ngày 11/1, Viện Vật liệu xây dựng (VIBM) đã tổ chức trực tiếp và trực tuyến Hội thảo khoa học “Công nghệ in 3D bê tông - cơ hội và thách thức”. Hội thảo là diễn đàn chuyên môn quan trọng cung cấp tổng thể về thông tin và các kết quả nghiên cứu cập nhật về công nghệ in 3D bê tông của thế giới và Việt Nam hiện nay. PGS.TS. Lê Trung Thành - Viện trưởng Viện Vật liệu xây dựng chủ trì trực tiếp Hội thảo tại điểm cầu Hà Nội.

PGS.TS Lê Trung Thành phát biểu và trình bày về đề tài nghiên cứu phát triển công nghệ in 3D bê tông tại VIBM.

Bê tông là một trong những vật liệu xây dựng dân dụng quan trọng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, làm cầu, đường cao tốc, và xây dựng cơ sở hạ tầng đô thị. Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D bê tông là đại diện điển hình của ngành Xây dựng về việc áp dụng công nghệ của cách mạng công nghiệp lần thứ 4 vào kỹ thuật xây dựng hiện đại. Để hiện thực kỹ thuật in 3D bê tông trong chế tạo các cấu kiến và công trình xây dựng vừa có khả năng chịu lực tốt vừa có hình dáng kiến trúc, thẩm mỹ đẹp, VIBM đã tiến hành nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy in 3D bê tông và đồng thời nghiên cứu phát triển loại vật liệu in 3D bê tông phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Phát biểu tại Hội thảo, Viện trưởng VIBM Lê Trung Thành cho biết, các công nghệ xây dựng hiện nay chủ yếu là ghép ván khuôn, sử dụng nhân công thủ công, phun bê tông, bê tông tự đầm… Những phương pháp này vẫn còn nhiều điểm hạn chế, chi phí cho nhân công cao, thời gian làm bê tông phải chờ đợi lâu, rác thải xây dựng tồn đọng, chưa có độ chính xác cao. Để khắc phục hạn chế, các nhà nghiên cứu khoa học cho rằng cần phát triển ngành công nghệ xây dựng theo hướng sử dụng công nghệ thông tin, ứng dụng công nghệ thông tin trong tạo hình và chế tạo. Điều này gói gọn trong quy trình in 3D bê tông.

Toàn cảnh Hội thảo.

Theo ông Thành, công nghệ in 3D bê tông có thể tạo nên những công trình kiến trúc phức tạp với tốc độ nhanh hơn bằng việc mô phỏng trên máy tính, vật thể 3D. Sau đó sẽ được cắt lớp, chia lớp và được chuyển sang thiết bị in bê tông theo lớp có độ chính xác cao.

Công nghệ in 3D bê tông có nhiều lợi thế như tự do hoá các ý tưởng thiết kế kiến trúc; nâng cao độ chính xác và đẩy nhanh tốc độ sản xuất kết cấu công trình và thi công xây dựng; các bộ phận cơ điện có thể cấy ghép vào phần trống, rỗng của các kết cấu được công nghệ in 3D tạo ra; tiết kiệm đáng kể vật liệu sử dụng và nhân công tại công trường; kiến tạo bề mặt phía trong và phía ngoài công trình độc đáo, đẹp, thẩm mỹ, hút âm, cách âm; kiến tạo các bộ phận công trình đồng bộ để giảm chi phí xử lý bề mặt và giảm chi phí bảo trì.

Trên thế giới, công nghệ in 3D bê tông đã được nghiên cứu và đang trên đà phát triển mạnh mẽ, tiêu biểu ở một số quốc gia như Mỹ, Trung Quốc, các nước Châu Âu… Một số công trình tiêu biểu hiện nay được xây dựng bằng công nghệ in 3D tại Ả rập, Trung Quốc, Hà Lan. Tại Việt Nam, công nghệ này đã được VIBM nghiên cứu và đã có một số kết quả nổi bật.

Hiện nay, VIBM đã hoàn thành thiết kế và chế tạo máy in 3D bê tông có khả năng in được kết cấu, sản phẩm tối đa tới 2 mét. Đồng thời, VIBM đã làm chủ được quy trình công nghệ in 3D để ứng dụng chế tạo cấu kiện bê tông tính năng cao, hoàn thành thiết kế thành phần cấp phối vật liệu đạt các tính năng phù hợp để sử dụng cho máy in 3D bê tông, duy trì độ nhớt dẻo ổn định trong vòng 2 tiếng. Cho đến thời điểm hiện tại, VIBM đang ứng dụng công nghệ in 3D bê tông để chế tạo một số cấu kiện bê tông có tính năng cao.

Hội thảo quốc tế trực tuyến kết hợp trực tiếp về Công nghệ in bê tông 3D.

Theo KS. Lê Cao Chiến, thành viên nhóm nghiên cứu đề tài khoa học, máy in 3D bê tông được VIBM thiết kế, chế tạo và lắp đặt là chiếc máy in 3D cỡ lớn đầu tiên của Việt Nam. Các thành phần linh kiện máy in có sẵn trong nước với chi phí phù hợp với điều kiện kinh tế, kỹ thuật của Việt Nam. Các hệ thống cơ khí, động lực, hệ thống điều khiển và các phần mềm điều khiển máy in được nhóm nghiên cứu tích hợp hoàn chỉnh. Cũng tại Hội thảo, các diễn giả, chuyên gia của Việt Nam và Vương quốc Anh đã trình bày nhiều nghiên cứu khoa học xoay quanh công nghệ in 3D bê tông.

Chiếc máy in 3D bê tông đầu tiên tại Việt Nam do VIBM thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh.

Về vật liệu in 3D bê tông, PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn nhận định, việc phát triển vật liệu luôn song hành cùng thiết kế máy in, vật liệu phải phù hợp với hệ thống in 3D bê tông. Theo đó, bê tông in có thể được chế tạo từ các vật liệu sẵn có ở Việt Nam như cát, xi măng, Silicafume, tro bay, phụ gia siêu dẻo và nước. Cấp phối bê tông phù hợp cho quá trình in với tính công tác được xác định thông qua độ chảy loang trong khoảng 150-200mm, thời gian thi công kéo dài 1 giờ, cường độ nén tuổi 28 ngày đạt trong khoảng 50-70 MPa. Hiện nay, Việt Nam hoàn toàn có thể chế tạo vật liệu bê tông dùng cho công nghệ in 3D và máy in 3D bê tông.

Trên thế giới, theo GS. Richard Buswell, Đại học Loughborough, Vương quốc Anh, có đến 98% các dự án lớn đều vượt mức tổng mức đầu tư và bị giãn tiến độ. Nguyên nhân là do công nghệ xây dựng chưa đáp ứng được nhu cầu, lực lượng công nhân lao động trực tiếp có kĩ năng còn hạn chế, môi trường làm việc còn độc hại. Những vấn đề này có thể được giải quyết theo nghiên cứu về tự động hóa trong xây dựng và nghệ in 3D bê tông chính là loại công nghệ kỹ thuật số cần được đẩy mạnh, đây chính là xu thế phát triển trong tương lai.

Máy in 3D bê tông có khả năng in được kết cấu, sản phẩm tối đa tới 2m.

Tuy nhiên, GS. Richsard Buswell nhấn mạnh, công nghệ in 3D bê tông hiện nay vẫn còn nhiều thách thức đối với giới khoa học, trong đó là khả năng khống chế tính ổn định bê tông khi chúng còn đang ở dạng dẻo và ướt, khả năng chịu lực của công nghệ in 3D bê tông, độ chính xác cao khi in bê tông. Thời gian tới, việc tiêu chuẩn hóa công nghệ in sẽ được Viện nghiên cứu bê tông Hoa Kỳ xây dựng báo cáo hoàn chỉnh và châu Âu cũng sẽ thử nghiệm tính chất dẻo của bê tông, đánh giá tính chất cơ lý và vật liệu, kết cấu của bê tông.

Hệ thống điều khiển và các phần mềm điều khiển máy in tích hợp hoàn chỉnh.

Nhận định về vấn đề này, PGS.TS Trần Văn Miền cũng cho rằng, ngay tại Việt Nam, công nghệ in vẫn còn rất mới, do đó cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để góp phần xây dựng tiêu chuẩn về vật liệu và quy trình thi công nghiệm thu. Thi công xây dựng bằng công nghệ in 3D bê tông sẽ rất phù hợp với những công trình có thiết kế kiến trúc độc đáo.

Kết cấu cột tròn được tạo hình bằng công nghệ in 3D bê tông tại VIBM.

Tại Hội thảo, các đại biểu đã tham gia thảo luận và cho ý kiến về thương mại hóa công nghệ in 3D bê tông, lựa chọn vật liệu in bê tông và vận hành máy in bê tông. Theo đó, công nghệ in 3D bê tông được nghiên cứu và phát triển máy in đầu tiên tại Việt Nam chính là những thành công bước đầu trong lĩnh vực nghiên cứu công nghệ tự động số. Trong thời gian tới, cần có thêm sự thay đổi, nghiên cứu thêm về các vấn đề như vật liệu in bê tông cấp phối 3D cần phải được tối ưu hóa, phù hợp với cuộc sống, giá thành cấp phối ổn định; về thiết bị, nên sử dụng các thiết bị trong công nghiệp sẽ có hoạt động tốt hơn, đáp ứng được nhu cầu sản xuất…