Bê tông in 3D chịu lực tốt hơn nhờ kết cấu bắt chước vỏ tôm hùm

Các công nghệ sản xuất dựa trên kỹ thuật số như in 3D có tiềm năng to lớn trong việc tiết kiệm thời gian, công sức và vật liệu trong lĩnh vực xây dựng.

Những công nghệ này còn hứa hẹn thách thức các giới hạn trong đổi mới sáng tạo kiến trúc, song kỹ thuật chế tạo bê tông in 3D có cường độ chịu lực đủ tốt để có thể sử dụng trong các công trình kiến trúc có hình thái phóng khoáng hơn vẫn còn đầy thách thức.

Một nghiên cứu thực nghiệm mới đây tại Đại học RMIT do nhà nghiên cứu người Việt hiện đang làm việc ở Úc Tiến sĩ Trần Phương làm chủ nhiệm đã lấy cảm hứng từ sức bền tự nhiên của vỏ tôm hùm để thiết kế nên những mô hình in 3D đặc biệt.

Theo đó, mô hình xoắn ốc bắt chước tự nhiên vừa cải thiện độ bền tổng thể của bê tông in 3D, vừa cho phép định hướng chính xác cường độ để củng cố kết cấu ở những chỗ cần thiết.

Nhóm nghiên cứu đã kết hợp mẫu in xoắn ốc này với hỗn hợp bê tông đặc biệt được bổ sung các sợi thép nhỏ, giúp vật liệu tạo ra có kết cấu khỏe hơn bê tông truyền thống.

Tiến sĩ Phương cho hay, công nghệ in 3D và sản xuất bồi đắp mở ra cơ hội nâng cao cả tính hiệu quả lẫn sự sáng tạo cho ngành xây dựng.

"Công nghệ in 3D bê tông thực sự có tiềm năng thay đổi hoàn toàn ngành xây dựng và mục tiêu của chúng tôi là giúp sự chuyển đổi này đến gần hơn”, chia sẻ của Tiến sĩ Phương, giảng viên cấp cao về vật liệu và thiết kế xây dựng tại Đại học RMIT.

“Chúng ta biết rằng vật liệu thiên nhiên như vỏ tôm hùm đã trải qua hàng trăm triệu năm tiến hóa để có được cấu trúc hiệu quả cao như vậy. Bằng cách bắt chước những ưu điểm cốt lõi này, chúng ta có thể nối gót những gì thiên nhiên sáng tạo sẵn".

In 3D trong xây dựng

Các máy in 3D bê tông tạo nên những ngôi nhà hoặc các bộ phận cấu thành nhà bằng cách bồi đắp từng lớp vật liệu, khác với cách truyền thống là đúc bê tông trong khuôn.

Với công nghệ mới nhất, có thể in 3D một căn nhà trong vòng 24 giờ với chi phí giảm còn một nửa. Trên thực tế, khu dân cư đầu tiên trên thế giới được xây dựng bằng công nghệ in 3D đã khởi công tại Mexico từ năm 2019.

Lĩnh vực mới nổi này cũng hỗ trợ nhiều đổi mới sáng tạo về kiến trúc và kỹ thuật, từ tòa nhà văn phòng in 3D ở Dubai, tới cầu bê tông mô phỏng thiên nhiên ở Madrid hay “Ngôi nhà châu Âu” hình cánh buồm tại Hà Lan.

Nhóm nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Đại học RMIT đang tập trung tìm hiểu về bê tông in 3D và tìm cách hoàn thiện thành phẩm thông qua nhiều phương án kết hợp khác nhau giữa thiết kế mẫu in, vật liệu sử dụng, mô hình hóa, tối ưu hóa thiết kế và các tùy chọn để gia cố kết cấu bê tông.

Hỗ trợ các công trình phức tạp

Kết quả cho thấy các mẫu in hỗn hợp đều chịu lực tốt hơn mẫu in theo một chiều cố định, nhưng theo Tiến sĩ Phương, mẫu xoắn ốc có tiềm năng nhất để tạo ra các cấu trúc bê tông in 3D phức tạp.

Ông cho biết: “Vỏ tôm hùm có độ cứng và độ cong tự nhiên. Chúng tôi thấy rằng điều này có thể giúp tạo ra những hình dạng bê tông chắc chắn hơn như mái vòm hay cấu trúc uốn lượn và xoắn vòng”.

“Công trình này mới ở giai đoạn đầu nên chúng tôi sẽ cần nghiên cứu thêm để kiểm tra với nhiều thông số hơn xem bê tông có chất lượng ra sao, nhưng kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy chúng tôi đang đi đúng hướng”.

Công trình nghiên cứu này là một phần trong luận án tiến sĩ của Tiến sĩ Phạm Thị Hiền Lương, cũng đến từ Việt Nam và là nghiên cứu sinh đầu tiên tại Đại học RMIT tập trung vào lĩnh vực này.

Đại học RMIT sẽ hỗ trợ các nghiên cứu sâu hơn bằng một máy in 3D bê tông di động quy mô lớn mà nhà trường mới mua gần đây – đưa trường trở thành cơ sở nghiên cứu đầu tiên ở Nam bán cầu có một loại máy như vậy.

Máy in kích cỡ 5×5 mét được điểu khiển bằng robot sẽ được nhóm chuyên gia sử dụng để nghiên cứu in 3D nhà ở, tòa nhà và các cấu trúc xây dựng lớn.

Nhóm cũng sẽ sử dụng máy để khám phá tiềm năng in 3D bê tông bằng vật liệu phế thải tái chế như cốt liệu nhựa mềm.

Tiềm năng thúc đẩy in 3D tại Việt Nam

Theo Tiến sĩ Phương, công nghệ in 3D đã đi đầu phong trào sản xuất tiên tiến hiện đại trên khắp thế giới. Các ngành lớn như hàng không vũ trụ, ô tô cũng như y tế đã và đang đầu tư vào công nghệ này ở các quy mô khác nhau.

Ông nói: “Mặc dù công nghệ in 3D vẫn còn non trẻ ở Việt Nam, khát vọng phát triển công nghệ đã được nêu rõ trong các kế hoạch của Chính phủ để đồng hành cùng Cách mạng công nghiệp lần thứ tư”.

Chuyên gia nghiên cứu đến từ Đại học RMIT cũng chia sẻ rằng Úc và đặc biệt là RMIT đã đầu tư đáng kể vào hoạt động nghiên cứu, phát triển và đào tạo công nghệ sản xuất in 3D trong những năm gần đây.

Ông tin tưởng rằng năng lực của RMIT trong lĩnh vực này sẽ mang lại cơ hội hợp tác cùng nhau trong nghiên cứu và đào tạo.

Tiến sĩ Phương cho biết: “Tôi đã hợp tác với một số trường đại học tại Việt Nam như Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH) và Đại học VinUni trong các dự án tập trung vào lĩnh vực in 3D”.

“Hy vọng rằng chúng tôi sẽ có thể mở rộng hợp tác hơn nữa để mang đến thêm nhiều cơ hội cho sinh viên và các nhà nghiên cứu Việt Nam tiếp cận với công nghệ hiện đại được phát triển tại RMIT”.

Bài: Gosia Kaszubska, Hoàng Minh Ngọc

Video: Carelle Mulawa-Richards

Hình ảnh đầu trang: X-ray tôm hùm. Hình ảnh thuộc bản quyền của Florian Elias Rieser, được sử dụng theo giấy phép Attribution-Share Alike 4.0 International của Creative Commons.