Hành trình 5 năm
Công nghệ trên được PGS.TS Trần Văn Miền - giảng viên Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa (Đại học Quốc gia TPHCM) cùng nhóm cộng sự phát triển trong hơn 5 năm qua. Công nghệ in 3D, còn gọi là in ba chiều (3D printing), là kỹ thuật chế tạo vật thể thật từ mô hình kỹ thuật số bằng cách đắp từng lớp vật liệu chồng lên nhau cho đến khi hoàn thiện sản phẩm.
Quá trình này bắt đầu từ việc thiết kế mô hình trên máy tính bằng phần mềm chuyên dụng, sau đó chuyển đổi sang định dạng mà máy in có thể đọc được. Máy in sử dụng các loại vật liệu như nhựa, kim loại, gốm hoặc thậm chí là bê tông để tạo ra sản phẩm một cách chính xác và nhanh chóng, không cần đến khuôn đúc.
Theo nhóm tác giả, việc ứng dụng công nghệ in 3D bê tông trong lĩnh vực xây dựng mang lại hiệu quả tối ưu về thời gian thi công, chi phí, tính linh hoạt trong thiết kế kiến trúc lẫn kết cấu. Công nghệ này còn giúp việc thi công công trình an toàn hơn, đồng thời giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường.
Về tiềm năng, nhóm tác giả đánh giá công nghệ in 3D bê tông là cuộc cách mạng trong lĩnh vực xây dựng. Các công trình xây dựng in 3D có thể mang kiến trúc phức tạp, độc đáo, được thiết kế bằng phần mềm CAD 3D. Dữ liệu thiết kế 3D được nhập vào thiết bị và in bê tông thành từng lớp, đắp dần lên nhau cho đến khi hoàn thiện kết cấu công trình.
PGS.TS Trần Văn Miền cho biết, nghiên cứu công nghệ in 3D bê tông trong xây dựng của nhóm dựa trên cơ chế hoạt động của các máy ép đùn chả cá và máy xay thịt mà tiểu thương sử dụng ở chợ. Các máy xay này hoạt động theo phương ngang, còn máy in 3D hoạt động theo phương đứng.
Dựa trên nguyên lý đó, nhóm đã biến thể thành máy CNC hoạt động theo hệ trục đứng, tương tự nguyên lý máy in 3D. Máy được điều khiển bằng máy tính, sử dụng phần mềm để thiết lập các thông số kỹ thuật và điều khiển vận hành. Vật liệu bê tông được nhóm phối trộn từ xi măng PC50, cát sông, nước, phụ gia giảm nước, tro bay, silica fume, sợi PP... Công thức phối trộn được thử nghiệm nhiều lần để đảm bảo độ dẻo, độ đồng đều về kích thước, không bị biến dạng và có khả năng chịu tải trọng tốt.
Cần có tiêu chuẩn kỹ thuật
Theo PGS.TS Trần Văn Miền, trong kỹ thuật in 3D bê tông, độ lưu biến (còn gọi là độ dẻo) của bê tông rất quan trọng. Do đó, nhóm nghiên cứu sử dụng lưu biến kế để đo độ nhớt và ứng suất cắt của bê tông. Công nghệ in 3D cho phép tạo hình và đắp bê tông từng lớp theo chiều cao cấu kiện. Trong quá trình đắp, các lớp bê tông không bị biến dạng và ổn định theo phương đứng. Vì vậy, hỗn hợp bê tông cần có ứng suất cắt và độ dẻo phù hợp để có thể đứng vững, tự chịu tải trọng của các lớp phía trên.
Ban đầu, nhóm thử nghiệm in 3D để tạo ra các vật dụng như bàn, ghế... Khi thành công, nhóm tiếp tục in nhà ở có bề rộng 5m, dài 14m, diện tích 70m2. Với thời gian 68 giờ in, ngôi nhà hoàn thành phần thô, sau đó được hoàn thiện các hạng mục như cửa chính, cửa sổ, mái và nội thất bên trong.
Dự kiến thời gian tới, nhóm sẽ tiếp tục in 3D nhà ở có diện tích lớn hơn, thậm chí nghiên cứu in 3D nhà nhiều tầng. Một Việt kiều đã đặt hàng in nhà gồm một trệt, một lầu. Theo nhóm nghiên cứu, nhà in 3D có tốc độ xây dựng nhanh hơn gấp nhiều lần so với phương pháp truyền thống, giảm chi phí nhân công, đồng thời tạo ra những mẫu nhà có kiến trúc độc đáo theo ý tưởng từng người.
Điều này được đánh giá là gia tăng lợi thế cạnh tranh của công nghệ in 3D trong xây dựng nhà ở, bởi công nghệ này có thể tạo nên những công trình mang tính nghệ thuật cao, nâng giá trị ngôi nhà.
Với nhà in 3D, sau khi hoàn thiện các hạng mục chính, công đoạn còn lại là lắp đặt cửa, hệ thống điện, nước... Tuy nhiên, đại diện nhóm nghiên cứu cho rằng, nhược điểm của nhà in 3D là việc lắp đặt cửa gặp khó khăn do chưa có mẫu thiết kế sẵn, nên phải thiết kế riêng phù hợp với từng công trình.
Công nghệ in 3D còn khá mới tại Việt Nam nên hiện chưa có các tiêu chuẩn kỹ thuật cho việc ứng dụng. Riêng đối với nhà ở, cũng chưa có tiêu chuẩn về vật liệu, quy trình thi công, nghiệm thu... Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất các cơ quan quản lý cần sớm xây dựng các bộ tiêu chuẩn vật liệu, quy trình thi công và nghiệm thu cho các công trình in 3D.
Về mặt kỹ thuật, nhóm đánh giá Việt Nam hoàn toàn có thể chế tạo vật liệu bê tông và máy in bê tông 3D trong nước. Trên thế giới, công nghệ in 3D đã được giới khoa học nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ hơn 10 năm qua.
Hiện nhóm nghiên cứu thực hiện nhiều đề tài khoa học các cấp, đồng thời đăng ký sở hữu trí tuệ và công bố kết quả nghiên cứu trên các tạp chí khoa học quốc tế uy tín thuộc danh mục ISI.
Tại Việt Nam, theo dữ liệu từ WIPO Publish (Cục Sở hữu trí tuệ), đến hết năm 2022, cả nước có 61 tài liệu sáng chế đề cập đến in 3D. Trong đó, chủ thể đăng ký là người Việt mới có 9 đơn, gồm 2 đơn được cấp bằng, 6 đơn đang chờ thẩm định và 1 đơn bị từ chối bảo hộ. Các sáng chế của người Việt chủ yếu liên quan đến vật liệu, thiết bị in 3D và các bộ phận liên quan.
