In 3D là công nghệ tạo mẫu nhanh, sử dụng vật liệu kết dính, kim loại, nhựa để tạo ra các vật thể bằng cách in từng lớp dựa trên các tệp mô hình kỹ thuật số.
Thông qua đầu in, vật liệu được phun thành từng lớp và cuối cùng được tạo thành thành phẩm. Thành phần cấu tạo của máy in về cơ bản giống như máy in để bàn, bao gồm phần điều khiển, phần cơ khí, đầu in, vật tư tiêu hao và bộ phận điện tử. Dù là một ngôi nhà hay một dãy nhà, thậm chí những ngôi nhà có hình dạng kích thước khác nhau đều có thể xây dựng tự động thông qua chương trình được cài đặt sẵn; từ mô hình 3 chiều trên máy tính dễ dàng trở thành tòa nhà thực tế.
Trong những năm gần đây, Trung Quốc đang hướng đến in 3D như một khả năng mới cho ngành xây dựng. Dưới sự hỗ trợ to lớn của chính phủ, đất nước tỷ dân này đã ứng dụng in 3D trong rất nhiều công trình.
Ưu và nhược điểm của in 3D
Một trong những lợi thế dễ nhận thấy nhất của in 3D là tính hiệu quả cao cả về thời gian, năng suất. Chỉ trong vòng 24 giờ in có thể xây dựng được ngôi nhà rộng 46,45m2. Điểm nổi trội ở in 3D là còn giảm đáng kể chất thải xây dựng.
Thông thường, quá trình xây dựng khu dân cư điển hình sẽ thải ra khoảng 4 tấn rác. Tuy bê tông là hỗn hợp đồng nhất nhưng trong quá trình thi công sẽ bị hao hụt đáng kể dù cho có sử dụng giá đỡ kết cấu đặc biệt. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến môi trường bởi xi măng là thành phần chính của bê tông, chiếm khoảng 7% lượng khí thải carbon dioxide. Ngược lại, máy in 3D có thể thay đổi độ dày của cấu trúc rất chính xác, chỉ sử dụng bê tông ở những nơi thực sự cần thiết. Quá trình này được gọi là tối ưu hóa cấu trúc liên kết.
Kỹ thuật số hóa cấu trúc in là lợi thế khác của in 3D. Từ thiết kế trên máy tính có thể đặt lệnh in trên máy in, giúp loại bỏ khâu chuyển đổi thiết kế thành bản vẽ, giảm sai số và rắc rối không cần thiết. Đồng thời, công nghệ này tối ưu được thời gian, chi phí và tiến độ. Ngoài ra, số hóa còn giảm bớt những trở ngại trong quá trình sáng tạo thiết kế. Các KTS có thể cung cấp các thiết kế tùy chỉnh hoặc bán tùy chỉnh với chi phí thấp mà không cần phải đào tạo người mới để thực hiện kế hoạch.
So với công nghệ in 3D thông thường, in 3D với vật liệu bê tông khó hơn một chút. Bê tông cần được đảm bảo chảy xuyên suốt để quá trình in diễn ra thuận lợi. Thứ hai, bê tông được in ra phải đông cứng nhanh để chịu được lớp in lên tiếp theo. Trên cơ sở đó, cần đạt đủ độ kết dính giữa các lớp này. Ngoài ra, in 3D bằng bê tông cũng cần phải vượt qua hàng loạt thử thách trong môi trường không khí mở, bụi bặm, độ ẩm, nhiệt độ – những biến số có thể ảnh hưởng đến bê tông.
Một số công trình đã được ứng dụng in 3D tại Trung Quốc:
Tủ sách bê tông được in bằng robot 3D / Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Xu Weiguo
Tủ sách được in bằng robot in 3D do Giáo sư Xu Weiguo cùng cộng sự tại Trường Kiến trúc thuộc Đại học Thanh Hoa phát triển. Tủ sách này được đặt tại Công viên Khoa học và Công nghệ Vịnh Baoshan Wisdom, Thượng Hải nhằm phục vụ cho các buổi giới thiệu sách, thảo luận học thuật và chia sẻ sách.
Việc thiết kế tủ sách bắt đầu từ bản phác thảo ý tưởng sau đó sử dụng phần mềm MAYA theo nhu cầu mô hình hóa thực thể, tiến hành xác định hình dạng không gian và tính hợp lý của cấu trúc để xác định mô hình triển khai. Sau khi được thông qua sẽ lập kế hoạch được in và mã hóa in để hoàn thành tệp kỹ thuật số. Tệp kỹ thuật số này sẽ điều khiển thiết bị in 3D của robot để bê tông hóa các lớp vật liệu bằng cách in chồng lớp.
Book Ledge có tổng diện tích khoảng 30m2 và có sức chứa khoảng 15 người cho nhiều hoạt động khác nhau.
Nhà bê tông in 3D / Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Xu Weiguo
Một dự án khác của nhóm của giáo sư Xu Weiguo là công trình nhà in 3D nằm trong nghiên cứu về “Nền tảng di động của robot in 3D trong bê tông” và “Hệ thống xây dựng nhanh cho nhà bê tông”.
“Nền tảng di động của robot in 3D trong bê tông” bao gồm cánh tay robot di động lắp đặt với thiết bị in 3D, có thanh ray, bệ nâng di động và bệ kéo treo. Để in/xây dựng toàn bộ ngôi nhà chỉ cần 2 người đứng nhấn nút trên bảng di động. Việc tích hợp và đơn giản hóa kỹ thuật in 3d trong bê tông sẽ giảm thiểu nhân lực trong quá trình xây dựng. Ngoài ra, nền tảng in này cho phép in trực tiếp tại chỗ, từ đế, tường cho đến mái nhà, giúp thi công nhanh và chi phí thấp.
Robot in “Làng trên mây” / Nhóm nghiên cứu của Philip Feng Yuan
Được phát triển bởi Philip Feng Yuan và các cộng sự, một gian hàng ngoài trời “Cloud Village” được chế tạo thông qua kỹ thuật số đã ra đời và đặt tại Venetian Arsenale. Làng Mây có dạng xoắn tạo ra một chuỗi không gian mở và nửa kín dưới mái nhà. Thiết kế này cũng phản ánh hiện thực đương đại của vùng nông thôn Trung Quốc. Chất liệu nhựa tái chế cho thấy cuộc khủng hoảng môi trường nghiêm trọng ở vùng nông thôn Trung Quốc và đặt ra suy nghĩ cho phương thức sản xuất không gian bền vững cho tương lai.