TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KIẾN TRÚC - BỘ MÔN CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG MỚI
CÔNG NGHỆ IN 3D
TRONG KIẾN TRÚC- XÂY DỰNG
GVHD: NGUYỄN HUY VĂN
SVTH: NHÓM 2 - LỚP B
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KIẾN TRÚC - BỘ MÔN CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG MỚI
GVHD: NGUYỄN HUY VĂN
SVTH: NHÓM 2 - LỚP B
Công nghệ in 3D còn được gọi công nghệ
“bồi đắp vật liệu”. Phương pháp in 3D dựa trên công nghệ tiên tiến, từng lớp bồi đắp
lên, để hình thành dần chi tiết, với độ chính
xác của từng lớp in là mm. Điều này về cơ
bản khác với bất kỳ kỹ thuật sản xuất
truyền thống hiện nay.
Mô hình kiến trúc từ lâu đã sử dụng công
nghệ in 3D, nhằm tạo ra các mô hình mẫu chính xác theo như ý tưởng của KTS.
Gần đây, công nghệ in 3D được xem là phương pháp xây dựng công trình đầy tiềm năng. Nghiên cứu đang được tiến hành tại một số tổ chức lớn về kiến trúc.
Theo sự phát triển của bước tiến thời đại, công
nghệ in 3D có khả năng đóng vai trò đổi mới
trong môi trường xây dựng - kiến trúc toàn cầu.
Hiện nay, in 3D trong xây dựng đã được ứng dụng
tại nhiều thành phố lớn trên thế giới. Tại Dubai,
thành phố đang cố gắng đạt được mục tiêu có
25% công trình xây dựng bằng in 3D trong năm
2030. Còn tại Việt Nam trong tương lai gần, ngành in 3D vừa là cơ hội vừa là thử thách
về cách tiếp cận công nghệ xây dựng mới.
Xây dựng là một trong những ngành tiêu thụ nhiều tài nguyên không tái tạo, nguyên vật liệu tự nhiên và sản sinh
lượng khí thải CO2 nhiều nhất trên thế giới. Công nghệ in 3D sẽ giúp tự động và đơn giản hóa các quy trình tạo bộ phận đơn lẻ và tạo ra sản phẩm vật chất hoàn thiện.
Hiệu quả năng suất và tiềm năng thực tiễn của công
nghệ in 3D còn được nâng cao bởi nhiều yếu tố:
Công nghệ in 3D sẽ có vị trí trong hàng ngũ công nghệ xây dựng trong tương lai?
Công nghệ in 3D sẽ là một công nghệ an toàn và thân thiện với con người?
● SƠ LƯỢC LỊCH SỬ CÔNG NGHỆ IN 3D
● ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IN 3D TRONG CUỘC SỐNG
● NGUYÊN LÝ CỦA CÔNG NGHỆ IN 3D
● QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG IN CỦA HỆ THỐNG IN 3D
● PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ IN 3D TRONG XÂY DỰNG
● NGUYÊN LIỆU CẤP PHỐI CỦA HỆ THỐNG IN 3D
198OS (1980-1986)
Các giải pháp in theo nguyên lý “bồi đắp vật liệu” bắt đầu được quan tâm nghiên cứu và công nhận, là cơ sở tiền đề của hệ thống in 3D.
1984 - 1988
1984, quy trình sản xuất bồi đắp vật liệu
hoàn chỉnh được phát triển bởi Charles Hull.
1986, Charles Hull đăng ký bản quyền chiếc
máy in 3D bằng công nghệ SLS và từ file định dạng STL.
1988, công nghệ in 3D chính thức ra mắt
sàn thương mại, bắt đầu chiến dịch vận dụng vào nhiều ngành nghề lĩnh vực nhau.
2008
2010
2014
Công nghệ in 3D ứng dụng thành công lần đầu
tiên vào ngành Y. Một quả thận động vật nhân tạo
được “in” ra đưa Y học lên một tầm cao mới.
Hệ thống in 3D bắt đầu được áp dụng vào lĩnh vực
kiến trúc trong việc tạo nhanh mô hình thiết kế.
Shapeways ra mắt dịch vụ đồng sáng tạo và cộng
đồng cho phép các nghệ sĩ, kiến trúc sư và nhà
thiết kế tạo sản phẩm 3D của họ với chi phí thấp.
Ngành công nghiệp tạo mẫu có bước tiến lớn.
Chiếc xe hơi nguyên mẫu đầu tiên được giới thiệu
với toàn bộ phần vỏ được in ra từ máy in 3D. Tất
cả các bộ phận bên ngoài, kể cả kính chắn gió
đều được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn.
Các bằng sáng chế cho công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (selective laser sintering - SLS), bắt đầu hết hạn bảo hộ, tạo cơ hội cho những sáng chế mới
phát triển hơn nữa ngành in 3D, mở đường cho một thời kỳ phát triển mạnh
mẽ của ngành công nghiệp này trong tất cả các lĩnh vực tương lai gần.
Công nghệ “Mô hình hóa bằng phương pháp
nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM)
Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng
mẫu bằng cách đun nhựa nóng chảy rồi hoá
rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng
khối (có thể ứng dụng vào kiến trúc).
Công nghệ “Thiết kế lazer chọn lọc”
(Selective laser sintering – SLS)
Công nghệ này này cũng dựa trên quá
trình chế tạo từng lớp nhưng chất
polymer lỏng được thay bằng vật liệu
bột.
Công nghệ “Tạo hình nhờ tia laser”
(stereolithography - SLA)
Hoạt động theo nguyên tắc “đắp lớp”
có đặc điểm khác biệt với các công
nghệ khác là dùng tia UV làm cứng
từng lớp vật liệu in (chủ yếu là nhựa lỏng).
Công nghệ in 3D dán nhiều lớp
(Laminated Object Manufacturing – LOM)
Trong quá trình in LOM các lớp giấy, nhựa hoặc kim loại cán mỏng dính bọc được hợp
nhất bằng cách sử dụng nhiệt và áp lực, sau đó cắt thành hình với máy tính điều khiển tia laser và dao cắt.
Công nghệ “Laser kim loại thiêu trực tiếp”
(Direct metal laser sintering - DMLS)
Một phương pháp tạo mẫu nhanh thuộc
nhóm tạo hình theo lớp (Additive layer manufacturing), có thể sử dụng vật liệu bột kim loại và mở ra một hướng mới, hiệu quả hơn cho việc chế tạo những hệ thống phức tạp (có thể ứng dụng vào kiến trúc)
Công nghệ in phun sinh học
(Inkjet-bioprinting)
Sử dụng một kỹ thuật tương tự như các máy in phun, trong đó một vòi phun định vị chính xác đặt một chấm nhỏ mực in để tạo thành hình dạng.
Công nghệ “in bê tông 3D Apis Cor”
Hệ thống in 3D của Apis Cor có sự khác biệt đáng kể. Thay vì
thiết lập lưới với các rãnh, đầu máy in nằm trên một cần cẩu
được hỗ trợ bởi một cột duy nhất. Điều này cho phép máy
được lắp đặt tại chỗ vì không cần phải ghép các mặt phẳng
của hai đường ray riêng biệt.
In từng bộ phận nhà 3D lắp ráp
Phương pháp in từng bộ phận nhà 3D lắp ráp được nhiều người áp dụng hơn. Bởi phương pháp này khá linh động, hơn nữa người dùng cũng không cần phải sử dụng đến máy in
3D có kích thước lớn.
In nhà 3D thành một khối bằng máy in 3D
Phương pháp này khá phức tạp, do đó để có thể in hoàn
chỉnh được một căn nhà bạn cần phải trang bị thêm cho mình một chiếc máy in có thể bao quát được hết căn nhà này.
1. Hình khối Ngôi nhà được thiết kế giống một tảng đá và hòa hợp với khung cảnh thiên nhiên xung quanh.
4. Vật liệu
- Toàn bộ công trình được in bê tông.
- Lớp cách nhiệt dày hơn và kết nối với mạng lưới sưởi ấm, ngôi nhà rất thoải mái và tiết kiệm năng lượng, với hệ số hiệu suất năng lượng là 0,25
2. Nội thất
- Sử dụng bê tông màu sắc sáng
3. Kỹ thuật
- Gồm 24 phần bê tông, được in tại một nhà máy ở Eindhoven và sau đó được vận chuyển đến công trường.
- Phải mất cả năm để hoàn thành dự án, mặc dù quá trình in 3D đã hoàn thành chỉ trong năm ngày.
Ngôi nhà là sản phẩm của sự hợp tác giữa tòa thị chính, Đại học Kỹ thuật Eindhoven và các công ty xây dựng mang
tên Project Milestone
Máy sẽ hoạt động liên tục:
Khôngăn
Khônguống
Khôngngủ
Khôngnghỉ
Khôngngạithờitiết
The first of five within the 'Milestone Project'
• NHÀ PHÁT TRIỂN: 3Strands
• XÂY DỰNG VÀ CÔNG NGHỆ: ICON
• KTS THIẾT KẾ: Logan Architecture
• MÔI GIỚI: DEN Property Group
• THIẾT KẾ NỘI THẤT: Claire Zinnecker Design
• KỸ SƯ KẾT CẤU: Fort Structures
• KỸ SƯ MEP: Positive Energy
The first 3D-printed homes for sale in US
“Bằngcáchin3Dnhững ngôinhànày,East17 Streetlàmộtbướctiến quantrọngchotương laicủangànhxây dựng” .
Gary O'Dell, Giám đốc điều hành của 3Strands.
Khu tổ hợp 4 ngôi nhà được thiết kế bởi công ty địa phương Logan Architecture và được xây dựng
từ bê tông in 3D của công ty công nghệ xây dựng ICON đã được hoàn thành ở Austin, Texas.
ICON nói với Dezeen: “Đâylànhữngngôinhàin
3DđầutiênđượcbánởMỹvàđãsẵnsàngđể
Công ty cho biết: “Côngnghệin3Dcungcấpnhững ngôinhàantoànhơn,đànhồihơn , đượcthiếtkế
đểchốngchọivớihỏahoạn,lũlụt,gióvàcác thảmhọathiênnhiênkhácsovớinhữngngôinhà
đượcxâydựngthôngthường” .
Khác nhau về kích thước và cách bố trí, cả bốn ngôi
nhà in 3D đều có các đặc điểm bên ngoài và bên trong
giống nhau
ĐẶC ĐIỂM TRONG NGOÀI
Diện tích: 30 m² - (tối đa 15 người)
Hoàn thành :2021
Thiết kế : Weiguo Xu, Yuting He, Zhi Wang, Chenwei Sun, Zhiling Zhang, Yuan Gao, Zhipeng Lin, Yuxuan Mao
Thành phố :Shanghai (Thượng Hải)
Quốc gia:China (Trung Quốc)
HÌNH KHỐI
NỘI THẤT
Lạ mắt, giống con ốc, hoa văn tường hình thoi
Băng ghế trắng đơn giản, tấm kính trên nóc để lấy ánh sáng mặt trời
Tường rỗng, được đổ vữa cách nhiệt để tạo thành một bức tường cách nhiệt.
Bê tông sợi do nhóm nghiên cứu phát triển, không thêm các thanh thép và không sử dụng ván khuôn.
● Từ bản phác thảo ý tưởng
● Sử dụng phần mềm MAYA 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.
● Lập kế hoạch đường dẫn in và mã hóa in để hoàn thành tệp kỹ thuật số
● Sau đó tệp kỹ thuật số điều khiển thiết bị in 3D của rô bốt để bê tông hóa các lớp vật liệu bằng cách in chồng lớp
● Mỗi thiết bị in cần 2 người vận hành, tổng số 4-5 kỹ thuật viên thi công tham gia vào quá trình thi công.
❖ Bề mặt nhiều lớp được tạo thành bằng cách in nhiều lớp
❖ Kết cấu hoa văn dệt được thiết kế đẹp trên vách ngăn trước cửa ra vào
Diện tích: 40 m²
Năm hoàn thành: 2020
Thiết kế: Professor XU Weiguo‘s team
from the Tsinghua University School of Architecture
Thành phố: Vô Tích, Giang Tô
Quốc gia: Trung Quốc
● Cánh tay rô bốt di động với thiết bị in 3-D
● Vật liệu in, máy phụ gia, máy khuấy và bơm tất cả trong một, và thiết bị điều khiển được lắp đặt trên nền tảng kéo-treo.
● Chỉ cần hai người nhấn nút trên nền tảng di động → giảm thiểu đầu vào của con người trong quá trình in /xây dựng.
● In trực tiếp tại chỗ → giúp thi công nhanh chóng với chi phí thấp.
● Sử dụng hình thức đan chéo cho việc in 3D
● Vật liệu cách nhiệt được đổ vào khoảng trống bên trong tường
HÌNH KHỐI
Là sự hòa trộn giữa khối vuông và khối cong lồng ghép vô nhau
NỘI THẤT
Có nhiều đèn và tận dụng ánh sáng mặt trời nhưng bên trong công trình vẫn
tối, không sáng hoàn toàn.
Tông màu chủ đạo là màu trắng.
KỸ THUẬT
Máy in 3D của Apis Cor đã được di chuyển đến địa điểm bằng cần cẩu để định vị lại vị trí xây dựng các phần khác nhau của tòa nhà.
• Apis Cor đã phát triển một vật liệu dựa trên thạch cao để chạy qua máy in
• Việc in ấn diễn ra ngoài trời - có thể xử lý môi trường khắc nghiệt mà không cần kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ.
• Tòa nhà nằm trên nền móng thông thường và ván khuôn in 3D cho các cột được gia cố bằng bê tông và thép cây.
• Các tấm đúc sẵn được sử dụng cho sàn nhà, các cửa sổ và mái thông thường đã được một nhà thầu thêm vào sau khi các bức tường được in.
Kiến trúc sư : Zaha Hadid
Thực hiện: công ty Incremental 3D
Diện tích: 16 x12m
Địa điểm: Venezia - Italy
Hoàn thành: 11/2021
Lên concept- phác thảo
Dựng mô hình phần mềm
In 3D tại nhà mấy các khối trước
Đóng gói các khối sau khi đặc lại rồi đem đến địa điểm thi công
Chuyển các khối in 3D đến nơi thi công, Dựng các dàn để cố định khối bê tông
Ráp lại với nhau rồi cố định lại.
Sau khi hoàn tất ghép khối bê tông, tháo dở các dàn cố định ra
Lắp ván gỗ lên để tạo nên cây câu.
Hoàn tất.
Chris Precht and Arthur Mamou-Mani use sand to 3D print pavilion in Saudi Arabia
Beyond the Geometry Plastic 3D Printed Pavilion / Archi-Union Architects + Fab-Union
A 3D PRINTED MARTIAN OASIS INSPIRED BY INTERSECTING MAGNETIC FIELDS!
A LUXURY HOTEL MADE WITH 3D-PRINTED SAND IS COMING TO MOZAMBIQUE IN 2020
Dự án Olympus, đồng thực hiện bởi BIG – công ty công nghệ in 3D ICON và hãng thiết kế SEArch+, đang kiến tạo một tương lai về khả năng định cư trên mặt trăngmột bước tiến mới cho con người trong nỗ lực tìm kiếm một môi trường sống ngoài Trái đất. Dự án này sẽ nghiên cứu và phát triển phương pháp ứng dụng công nghệ in 3D trong việc xây dựng các cấu trúc kiến trúc bằng cách sử dụng nguyên liệu chính là bụi mặt trăng.
Các quy định về quyền sở hữu trí tuệ siết chặt nhằm đảm bảo bản quyền
Giảm thời gian và chi phí xây dựng
Chuyên môn hóa các quy trình công nghiệp
Tạo chuỗi cung ứng giá trị sản phẩm khép kín
TÁC ĐỘNG VỀ LAO ĐỘNG - NHÂN CÔNG
Giảm số lượng nhân công trong một dự án
Đòi hỏi nguồn lao động có kỹ năng tư duy và sử dụng phần mềm cao
Đảm bảo tính độc nhất của các công trình kiến trúc có giá trị cao.z
Giảm sản sinh lượng khí CO2 và chất thải xây dựng.
Tiềm năng phát triển và sử dụng nguồn vật
liệu tái chế, thân thiện và bền vững
Cơ hội thiết kế ra nhiều công trình kiến trúc có giá trị cao.
Dễ dàng bảo tồn các di sản kiến trúc
Năng suất lao động tăng cao
Nhanh chóng và chính xác, đẹp - thẩm mỹ cao.
THI CÔNG
Độ chính xác gần như tuyệt đối
Các đường nét và góc chết - góc khó của công trinh
Không có sai số số về mặt kỹ thuật Đều có thể in bằng 3D
Làm việc liên tục trong nhiều giờ
Không cần sử dụng ván khuôn để tạo hình cấu kiện
Thời gian thi công nhanh Rút giảm công nhân
Chi phí được
Làm bắt đầu một thời kỳ mới
sự phá sản của các công ty xây dựng cũ
NHƯỢC ĐIỂM
Chưa áp dụng được vật liệu gỗ
làm mất đi tính “mộc mạc” và “thủ công”
Vẫn có tình trạng đường in không đều
Bề mặt tường không láng, không phẳng
Vật liệu in vẫn đơn giản
Chưa chứng tỏ nhiều được độ bền trong thời gian dài.
Làm cho các quốc gia tiếp tục cuộc chạy đua về công nghệ và các chi phí tốn kém không cần thiết
Cản trở lớn cho các quốc gia đang phát triển như Việt Nam về chi phí đầu tư và công nghệ mới.
Dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các tòa nhà bằng các máy in 3D khổng lồ. Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tông và cát. Phương pháp in 3D trong xây dựng có thể mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt là trong chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động môi trường. Ý tưởng xây nhà trên mặt trăng bằng in 3D đã xuất hiện tại một số trung tâm nghiên cứu trên thế giới. Công nghệ sản xuất đắp dần hay in 3D cho phép sáng tạo, chỉnh sửa một cách dễ dàng theo ý của khách hàng trong thiết kế kiến trúc và xây dựng thực tế.
Dubai, thành phố thuộc Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất (UAE) vừa tiến thêm một bước trên con đường biến giấc mơ ứng dụng 3D thành hiện thực khi công bố đến năm 2025, 25% số tòa nhà mới của thành phố sẽ được thực hiện bằng máy in 3D. Xây dựng bằng công nghệ in 3D có thể giải quyết cuộc khủng hoảng vô gia cư, giúp nhiều người có cơ hội sống ở thành phố hơn. Liên Hiệp Quốc dự báo đến năm 2030, thế giới sẽ có 41 siêu đô thị có số dân vượt 40 triệu người. Quỹ Tương lai Dubai cung cấp lộ trình để chính phủ xem xét và chuẩn bị cho cách công nghệ này sẽ thay đổi các ngành công nghiệp trong tương lai. Quỹ đặt mục tiêu biến Dubai thành “trung tâm công nghệ in 3D” của thế giới vào năm 2030.
Một điều dễ nhận thấy là vật liệu được sử dụng trong công nghệ in 3D thường khá ít. Chúng chủ yếu được làm từ các loại nhựa tổng hợp- bê tông chứ không dùng thép thông thường. Nhưng những vật liệu này hiện được cho là có ảnh hưởng không tốt cho sức khỏe con người và môi trường xung quanh. Một số vật liệu tự nhiên mới đang được nghiên cứu sử dụng như tre, nứa, gỗ song vẫn chưa có kết quả khả quan.
Trong kiến trúc, lấy ví dụ từ tòa nhà tại Trung Quốc, công nghệ in 3D đã giảm thiểu được đến 30 – 60% chất thải cũng như giảm đến 80% thời gian tối thiểu để xây dựng. Sử dụng công nghệ này giúp nhà thầu tiết kiệm được nhiều nguyên liệu vì đa phần họ sử dụng những nguyên liệu tái sử dụng giá rẻ. Ngoài ra thời gian và độ ô nhiễm môi trường cũng được giảm thiểu tối đa.
● Công nghệ in 3D hiện nay là loại hình công nghệ kỹ thuật cao và tiên tiến.
● Theo các chuyên gia, công nghệ này sẽ có ảnh hưởng đến toàn cầu ở các ngành
nghề trong tương lai.
● Sự phát triển in 3D ngày càng tăng, được ứng dụng nhiều và phổ biến trong các
lĩnh vực sản xuất công nghiệp, xây dựng, y tế, giáo dục,... với khả năng cho việc
chế tạo khuôn mẫu chính xác và dễ dàng hơn.
● Hiện nay, các máy in 3D phổ biến nhiều nhất ở ngành nghề thiết kế, kiến trúc sư,
kỹ sư, những người tạo ra , thiết kế sản phẩm và nguyên mẫu.
Khi nhắc đến in 3D, chắc hẳn nhiều Sinh viên Kiến trúc đều nảy ra trong đầu hoặc đã từng ứng dụng công nghệ này trong việc làm mô hình vì nó đáp ứng được việc dễ dàng hình thành
các khối có hình dạng phức tạp hơn rất nhiều so với việc dùng
giấy binh, giấy form cùng các dụng cụ cắt dán như dao, keo, kéo,...Tuy nhiên, áp dụng công nghệ này tốn kém khá nhiều chi phí để chỉ in một khối nhỏ và mức độ của sinh viên chỉ áp
dụng ở quy mô nhỏ. Do đó, không phải bất kỳ sinh viên nào cũng có thể đủ điều kiện kinh tế để in 3D làm mô hình.
Với sự tiến bộ của khoa học - kỹ thuật ngày nay, in 3D không chỉ áp dụng ở phạm vi nhỏ như việc làm mô hình mà trên thế giới đã có thể áp dụng với quy mô lớn hơn để phục vụ cho việc xây dựng công trình một cách mới mẻ hơn, ít tốn nhân công hơn và thật sự đây là một bước tiến lớn trong việc giảm phát thải ra môi trường thông qua việc sử dụng tài nguyên thiên
nhiên để chế tạo vật liệu xây dựng. In 3D đã góp phần cho sự phát triển của ngành Kiến trúc - Xây dựng, tuy vẫn có một số khuyết điểm về mặt thẩm mỹ trong quá trình thi công, nhưng với tư duy và phát triển của khoa học công nghệ thì việc cải thiện trong tương lai là điều có thể thực hiện.