Công nghệ in 3D: Bước ngoặt của kiến trúc thế giới

Công nghệ in 3D trong xây dựng đã xuất hiện từ đầu những năm 2000 và hiện nay đang trở nên phổ biến hơn. Nguyên tắc hoạt động của in 3D rất đơn giản, liên quan đến việc đưa từng lớp vật liệu lên nhau bằng cách sử dụng đầu in tương tự như đầu in trong máy in phun mực. Vật liệu sử dụng có thể là bê tông, kim loại, polymer hay nhựa, và phải hợp nhất hoặc liên kết với các lớp đã được đưa lên trước đó. Quan trọng nhất, vật liệu không được in một cách ngẫu nhiên mà phải tuân theo mô hình 3D đã được tạo trên máy tính bằng phần mềm CAD.

Trong giai đoạn đầu, công nghệ in 3D trong xây dựng được sử dụng chủ yếu để tạo ra các mô hình 3D như gạch hoa văn hoặc đồ trang trí, các nguyên mẫu và các bộ phận xây dựng phi cấu trúc nhỏ. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, hiện nay in 3D có thể được sử dụng để sản xuất các tòa nhà và các công trình xây dựng lớn hơn.

Các ứng dụng của in 3D trong xây dựng là rất đa dạng, bao gồm sản xuất tường, cột, đường ống và các bộ phận khác của công trình xây dựng, đồng thời cũng có thể sử dụng để tái tạo các bộ phận đã hư hỏng hoặc cải tạo lại các công trình xây dựng cũ.

Công nghệ in 3D đã mang đến nhiều lợi ích cho ngành xây dựng như: Giảm thiểu thời gian thi công các tòa nhà; Hạn chế xảy ra tai nạn vì giảm nhân lực; Góp phần giảm chi phí thi công; Thân thiện với môi trường do ít có chất thải xây dựng; Giảm lượng khí thải carbon dioxide. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ in 3D trong xây dựng vẫn đang đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm độ bền và tính khả thi kỹ thuật.

Một góc công trình House Zero - Ảnh: Abj

Công nghệ in 3D hiện nay sản xuất ra vật liệu xây dựng một cách cơ học. Hoạt động của công nghệ này dựa trên một chương trình được cài đặt vào máy tính, với sự trợ giúp của máy cắt lát và hệ thống giàn in, cho ra các vật liệu theo yêu cầu thiết kế. Các vật liệu như đất sét, bê tông hay nhựa được công nghệ in 3D "ép đùn" ở trạng thái lỏng và "đông cứng" thành sản phẩm cuối cùng theo bản vẽ thiết kế. Hiện trên thế giới đã có một loạt dự án triển khai công nghệ mới này.

Công trình Trillium Pavilion

Là một trong các dự án mới, Trillium Pavilion là một công trình ngoài trời được in 3D từ vật liệu polyme ABS tái chế - một loại nhựa phổ biến được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm tiêu dùng.

Các bề mặt cong, mỏng của cấu trúc được lấy cảm hứng từ những cánh hoa Trillium cùng tên với nó.

Công trình Trillium Pavilion - Ảnh: Architect

Ý tưởng và phối cảnh thiết kế của các sinh viên Đại học Tennessee. Các bề mặt cong, mỏng của cấu trúc được lấy cảm hứng từ những cánh hoa Trillium - Ảnh: Archdesign.utk.edu

Dự án do các sinh viên Đại học Tennessee thiết kế, Công ty tự động hóa Loci Robotics in ra vật liệu và được xây dựng ở công viên nghiên cứu của Đại học Tennessee tại thành phố Knoxville, bang Tennessee, Mỹ.

Ngôi nhà Tecla

Ngôi nhà Tecla, rộng 41,8m² do Công ty Mario Cucinella Architects thiết kế và in 3D ở Massa Lombarda, một thị trấn nhỏ ở Ý.

Ngôi nhà Tecla, rộng 41,8m² do Công ty Mario Cucinella Architects thiết kế - Ảnh: Arch daily

Tecla được xây dựng từ đất sét có nguồn gốc địa phương - Ảnh: Wasp

Các kiến trúc sư in Tecla bằng đất sét lấy từ một con sông địa phương. Sự kết hợp độc đáo giữa vật liệu rẻ tiền này và hình học xuyên tâm đã tạo ra một dạng nhà ở tiết kiệm năng lượng.

Ngôi nhà House Zero

Công ty kiến trúc Lake Flato đã hợp tác với Công ty công nghệ xây dựng ICON để in các bức tường bên ngoài bằng bê tông cho một ngôi nhà có tên "House Zero" ở Austin, Texas.

Hệ thống sử dụng công nghệ in 3D, một công nghệ phân chia các lớp vật liệu một cách cơ học dựa trên một chương trình máy tính, để tạo nên các bức tường của ngôi nhà rộng 18m². 

Mất 10 ngày để in các phần tường này của ngôi nhà.

Ngôi nhà House Zero - Ảnh: Youtube

"House Zero là điểm khởi đầu cho sự xuất hiện của các ngôn ngữ thiết kế hoàn toàn mới, và việc sử dụng công nghệ in 3D cũng mang lại cho ngôi nhà sự tiện nghi, vẻ đẹp, tính bền vững", ông Jason Ballard - đồng sáng lập và giám đốc điều hành của ICON - cho biết.

Ngôi nhà rộng 186m² sử dụng bê tông in 3D, cấu trúc thể hiện sự tương phản dễ chịu giữa những bức tường cong và khung gỗ lộ ra ngoài.

Một mặt tiền công trình in 3D ở Phật Sơn, Trung Quốc - Ảnh: Singularityhub.

Phương pháp in 3D trong xây dựng

Công nghệ in 3D cho ra vật liệu xây dựng theo thiết kế liên quan đến ba lĩnh vực: thiết kế kỹ thuật số, chế tạo kỹ thuật số và khoa học vật liệu.

Để bắt đầu, các kiến trúc sư cài đặt trên máy tính mô hình của tất cả các thành phần vật liệu sẽ được in 3D.

Sau đó các nhà thiết kế có thể sử dụng phần mềm để kiểm tra các thành phần vật liệu được sử dụng sẽ phản ứng như thế nào với các lực kết cấu và điều chỉnh chúng cho phù hợp.

Những công cụ này cũng có thể giúp nhà thiết kế tìm ra cách giảm trọng lượng của các vật liệu và tự động hóa các quy trình thiết kế nhất định, chẳng hạn làm mịn các giao điểm hình học phức tạp trước khi in.

Sau đó, một phần mềm được gọi là máy cắt lát sẽ chuyển từ mô hình máy tính thành một bộ hướng dẫn dành cho máy in 3D.

Những tiến bộ trong công nghệ in 3D đã cho phép phần cứng tăng quy mô một cách đáng kể. Đôi khi, quá trình in được thực hiện thông qua một giàn hệ thống, đó là một khung hình chữ nhật gồm các đường ray trượt tương tự như máy in 3D để bàn.

Các nội dung thiết kế cũng được in khác nhau. Nội thất và các thành phần nhỏ hơn có thể được in trong nhà máy, trong khi toàn bộ ngôi nhà phải được in tại chỗ.

Nhiều loại vật liệu có thể được sử dụng cho việc in 3D: bê tông là một lựa chọn phổ biến do sự quen thuộc và độ bền của nó. Đất sét là một giải pháp thay thế hấp dẫn. Tuy nhiên nhựa và polyme có ứng dụng rộng rãi nhất.