Năm 2004, Giáo sư Behrokh Khoshnevis của Đại học Nam Carolina đã thử bức tường in 3D đầu tiên. Kể từ đó, sự đổi mới này đã bùng nổ và giờ đây có thể xây dựng một ngôi nhà chỉ trong 20 giờ! Vị giáo sư này đã phát triển một máy in 3D FDM, được gắn trên một cánh tay rô-bốt, ép các lớp bê tông thay vì nhựa để tạo ra mô hình 3D.

Công nghệ Contour Crafting này đã thể hiện tất cả các phẩm chất cần thiết để sử dụng sản xuất phụ gia trên các công trường xây dựng: giảm chi phí và chất thải, tốc độ xây dựng nhanh hơn, giảm tai nạn, hình dạng kiến trúc phức tạp, v.v. Khám phá của ông đánh dấu sự khởi đầu của công nghệ in 3D trong xây dựng. Tuy nhiên, nó vẫn ít được sử dụng hơn nhiều so với một số lĩnh vực nhất định như hàng không hoặc y tế.

Những gã khổng lồ trong lĩnh vực xây dựng đang nhanh chóng nhận ra tiềm năng của công nghệ 3D và tác động của chúng đối với tương lai của ngành xây dựng. Thị trường in 3D bê tông dự kiến sẽ đạt 56,4 triệu đô la vào năm 2021 và có lý do chính đáng. Ngày càng có nhiều công ty khởi nghiệp trong lĩnh vực này để tạo ra các dự án mới, sáng tạo. Một số mang tính tương lai hơn, một số lại rất thực trong hiện tại, chẳng hạn như ngôi nhà in 3D của Apis Cor trong 24 giờ. In bê tông 3D đang phát triển nhanh chóng và dựa trên các công nghệ và vật liệu khác nhau, mang lại nhiều lợi ích cho người dùng. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và bị ràng buộc bởi những hạn chế hiện tại.

What 3D printing processes in the construction sector?

1 – Máy đùn cánh tay robot

Phương pháp Tạo đường viền liên quan đến việc vật liệu xây dựng được lắng đọng để tạo mô hình 3D quy mô lớn với bề mặt nhẵn. Các đường ray được lắp đặt xung quanh mặt bằng tòa nhà sẽ hoạt động như một cấu trúc để điều khiển cánh tay robot. Nó di chuyển qua lại để đùn bê tông, từng lớp một. Máy xoa nền đặt bên cạnh và phía trên đầu phun để làm phẳng các lớp ép đùn và đảm bảo độ bền cho mô hình.

Trong quy trình này, không thể sử dụng bê tông thông thường vì nó cần phải cứng lại trước khi bạn có thể tiếp tục quy trình. Nếu nó được in 3D thì nó sẽ không thể chịu được trọng lượng của chính nó. Do đó, bê tông được sử dụng với đặc tính đông kết nhanh.

Contour Crafting (công ty có cùng tên với phương pháp này) rất kín đáo về tiến trình của họ. Tuy nhiên, công ty xây dựng Trung Quốc WinSun Decoration Engineering Co mô tả nó có thể “đánh cắp chương trình”. Những cỗ máy này rất lớn (dài 32m, rộng 10m và cao 6,6m). Điều này cho phép họ in 3D các cấu trúc đầy đủ và lắp ráp chúng ngay tại chỗ. Điều này được thực hiện thông qua việc trộn bê tông và sợi thủy tinh tại chỗ và sau đó in. Kỳ tích này đã khiến các nhà xây dựng và công nhân xây dựng nhận thức được sản xuất phụ gia.

Các công ty cạnh tranh

Những người chơi khác nhau trên thị trường đã phát triển các loại máy sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để in bê tông 3D. Công ty Constructions-3D của Pháp đã tạo ra một máy in 3D cực in khi ở bên trong công trường, sau đó rời khỏi cửa trước của tòa nhà sau khi xây dựng xong. Nó bao gồm một đế cơ học và cánh tay rô-bốt có vòi phun vật liệu ở cuối. Cánh tay này cung cấp diện tích in hơn 250 m² và cao hơn 8 mét.

Robot của Cazza Construction cũng tương tự như vậy, liên quan đến hệ thống cần cẩu di động cho phép chúng in 3D một khu vực rộng hơn và tạo ra các cấu trúc lớn hơn và cao hơn. Điều này được thể hiện trong các bản in trước đây từ các công ty như Apis Cor và XtreeE, nhanh chóng tạo ra toàn bộ ngôi nhà.

Các công ty khác chuyên sản xuất các vật liệu khác ngoài bê tông bằng công nghệ này. Quy trình được cấp bằng sáng chế của BatiPrint 3D là một ví dụ nổi bật: Đại học Nantes, Bouygues Construction và Lafarge Holcim đã hợp tác để phát triển một robot công nghiệp có thể in 3 lớp vật liệu cùng một lúc. Hai trong số các lớp này là bọt polyme, với lớp thứ ba là bê tông. Benoit Furet, giáo sư tại Đại học Nantes giải thích “bọt mang lại lớp cách nhiệt bên trong và bên ngoài; bê tông và cốt thép kết cấu chịu lực chống động đất. “

2 – Các lớp cát liên kết với nhau
Kiến trúc sư người Ý Enrico Dini lần đầu tiên tạo nên làn sóng với tư cách là ‘người in 3D các ngôi nhà’. Gần đây hơn, ông đã trình diễn một quy trình in 3D thú vị bằng máy in 3D ‘D-Shape’ của mình. Máy này dựa vào sự liên kết của bột để có thể hóa rắn một lớp vật liệu bằng chất kết dính. Các lớp cát được lắng đọng theo độ dày mong muốn trước khi đầu in đổ các giọt (chất kết dính) để làm cứng cát. Máy 4 x 4 mét này có thể tạo ra các cấu trúc lớn có kích thước lên tới 6 mét khối.

3 – Kim loại cho kết cấu vững chắc
Công ty Hà Lan MX3D đã phát triển một phương pháp xây dựng độc đáo gọi là WAAM (Sản xuất phụ gia hồ quang dây), cho phép bạn in 3D các cấu trúc kim loại bằng rô-bốt 6 trục, giảm 2 kg vật liệu mỗi giờ.

Rô-bốt này là kết quả của sự hợp tác với Air Liquide và ArcelorMittal, đồng thời được trang bị máy hàn và vòi phun để hàn từng lớp thanh kim loại. Quá trình này cũng tương thích với các loại kim loại khác như thép không gỉ, đồng, nhôm và Inconel. Máy có thể được ví như một loại mỏ hàn khổng lồ. Nhóm nhận xét rằng “chúng tôi đã kết hợp một robot công nghiệp với một máy hàn để biến nó thành một máy in 3D hoạt động với phần mềm của riêng chúng tôi.”

Mặc dù được lên ý tưởng bởi các công ty khởi nghiệp, những dự án này thường cần sự hỗ trợ của các tên tuổi lớn hơn trong lĩnh vực xây dựng. Tập đoàn Royal BAM đã hợp tác với Đại học Công nghệ Eindhoven để thiết kế một cây cầu bê tông in 3D dành cho người đi xe đạp. Ngoài ra, Bouygues Construction đã chuyển sang in 3D để xây nhà ở Lille, Pháp. Hơn nữa, Vinci Construction đã hợp tác với công ty khởi nghiệp XtreeE của Pháp để thử nghiệm việc xây dựng các cấu trúc phức tạp và nhóm Skanska của Thụy Điển gần đây đã hợp tác với Đại học Loughborough để phát triển quy trình in bê tông 3D.

“Chúng tôi đã kết hợp một robot công nghiệp với một máy hàn để biến nó thành một máy in 3D hoạt động với phần mềm của riêng chúng tôi,” – nhóm MX3D.

Tại sao nên sử dụng in 3D trong xây dựng?
Thứ nhất, bê tông in 3D tiết kiệm rất nhiều thời gian. Đặc biệt, việc sử dụng các công nghệ này có khả năng giảm công việc 2 tuần xuống chỉ còn 3-4 ngày. Hơn nữa, điều này làm giảm nguy cơ chấn thương tại nơi làm việc. Benoit Furet tại Đại học Nantes giải thích “việc giảm thiểu khó khăn và rủi ro là có thật, chúng tôi nhận ra những tia sáng cao 3,8m mà không cần bất kỳ giàn giáo nào. Ngoài ra, công trường xây dựng rất yên tĩnh.”

Nhóm của anh ấy đã in được 3D một ngôi nhà rộng 95m² và là nhà ở xã hội được in 3D đầu tiên trong thành phố. Benoit cho biết công nghệ BatiPrint của họ cũng giúp tạo ra các hình dạng cong dễ dàng hơn với chi phí thấp hơn. Hơn nữa, vì máy in 3D không cần ăn ngủ nên chúng không ngừng hoạt động cho đến khi dự án kết thúc. Điều này làm giảm đáng kể thời gian chờ đợi.

Ưu điểm của in 3D trong xây dựng
Về mặt sử dụng vật liệu, in 3D là kinh tế. Với các quy trình phụ gia thay vì trừ đi, ít vật liệu được sử dụng hơn so với các quy trình sản xuất truyền thống. Điều này làm giảm tác động môi trường vì ít chất thải được tạo ra. Romain Duballet, một trong những người đồng sáng lập XtreeE, giải thích “với khả năng làm chủ hình học ngày càng tăng, chúng tôi có thể tạo các hình dạng được tối ưu hóa để hạn chế lượng vật liệu sử dụng.”

Tuy nhiên, giấc mơ về những ngôi nhà, cây cầu và tòa nhà chọc trời in 3D vẫn còn đó. Axel Thèry của Constructions-3D giải thích rằng “những khó khăn chính đến từ thực tế là quy trình in 3D các tòa nhà ngày nay không được nhiều cơ quan quy tắc và tiêu chuẩn công nhận là một phương pháp xây dựng. Vì các cấu trúc in không phải là truyền thống, nên việc tính toán sức cản và sức cản kịp thời rất khó thực hiện, đó là lý do tại sao các công trình có thể ở được sẽ phải được thử nghiệm theo từng trường hợp ngay từ đầu.” Các cơ quan tiêu chuẩn này lo ngại liệu các cấu trúc này có thực sự vững chắc hay không và liệu chúng có thể chịu được môi trường của chúng hay không.

Nhà in 3D: giải pháp cho cuộc khủng hoảng nhà ở?
Vì in 3D hiện cho phép tạo ra các cấu trúc nhanh hơn, nên lý tưởng nhất là để chống lại cuộc khủng hoảng nhà ở. Kết quả là một số công ty đang hướng tới sản xuất bồi đắp. Điều này bao gồm công ty WASP của Ý, nhằm mục đích xây dựng một thế giới bền vững hơn thông qua in 3D. Họ đã phát triển một trong những máy in 3D lớn nhất thế giới có khả năng xây nhà từ vật liệu có nguồn gốc địa phương bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời, gió hoặc thủy điện. Điều này cho phép các khu vực chưa có điện có thể in 3D các cấu trúc thân thiện với môi trường bằng tài nguyên địa phương.

Tương tự ở Brazil, Anielle Guedes đã thành lập Urban3D để đối phó với cuộc khủng hoảng nhà ở tại Brazil. Công ty của cô in 3D các bộ phận của tòa nhà trong một nhà máy chuyên dụng trước khi lắp ráp chúng tại chỗ. Điều này cho phép cô ấy tạo ra các tòa nhà có chiều cao không thể thực hiện được nếu in 3D được thực hiện tại chỗ. Công ty hiện đang thử nghiệm một số nguyên mẫu và hy vọng sẽ cung cấp giải pháp cho sự phát triển của các khu ổ chuột ở Brazil.

Công ty Nga Apis Cor cũng bị thuyết phục về tác động tích cực mà công nghệ in 3D có thể mang lại cho nhà ở. Người sáng lập kiêm Giám đốc điều hành Nikita Chen-iun-tai giải thích: “Chúng tôi tin rằng sản xuất phụ gia là một giải pháp hiệu quả để chống lại cuộc khủng hoảng nhà ở và đó là lý do tại sao chúng tôi đã phát triển dự án của mình. Chúng tôi hy vọng rằng trong một vài năm nữa, phương pháp này sẽ được thử nghiệm kỹ lưỡng ở các khu vực khác nhau trên thế giới để chứng minh tính khả thi của nó. Chúng tôi tin rằng ngày càng có nhiều công ty xây dựng sẽ áp dụng công nghệ này, giống như trường hợp của một số công ty ngày nay.”

In 3D trong không gian?
Sản xuất phụ gia cũng có thể là một cách để nhân loại khám phá không gian. NASA đã khởi động ‘Thử thách Môi trường sống In 3D’ kiểm tra các công nghệ được sử dụng để xây nhà trong không gian, chẳng hạn như trên Mặt trăng hoặc trên Sao Hỏa. Mặc dù đầy tham vọng nhưng vẫn còn quá sớm để nói liệu in 3D có phải là một giải pháp khả thi hay không. Tuy nhiên, chúng ta có thể nói rằng in 3D trong xây dựng sẽ trở thành một lực lượng toàn cầu thực sự. Nhà xuất bản SmarTech gần đây đã xuất bản một báo cáo dự đoán doanh thu toàn cầu trong lĩnh vực này là 40 tỷ đô la vào năm 2027. Để tăng từ vài triệu đô la lên 40 tỷ đô la trong 10 năm là điều đáng kinh ngạc. Do đó, chúng ta sẽ phải xem thế giới phản ứng thế nào với công nghệ này trong tương lai.