Tiến sĩ người Việt thiết kế mô hình đặc biệt cho in 3D bê tông

Nghiên cứu mới của Tiến sỹ Trần Phương tại đại học RMIT thành phố Melbourne Úc lấy cảm hứng từ kết cấu vi mô của vỏ tôm hùm, giúp kết cấu bê tông bằng công nghệ in 3D khỏe hơn.

Công nghệ mới có thể giúp xây dựng các kết cấu phức tạp và giàu sáng tạo trong xây dựng.

Áp dụng các giải pháp công nghệ 4.0 trong sản xuất và xây dựng, ví dụ như công nghệ in 3D cho bê tông, đang trở nên ngày càng phổ biến trong thế kỷ 21, với mục đích tiết kiệm thời gian, công sức, vật liệu.

Ngoài ra, công nghệ in 3D nhìn chung còn mang lại nhiều tiềm năng thúc đẩy sự tự do sáng tạo trong kiến trúc khi giúp tạo ra các kết cấu phức tạp không thể tạo được bằng các phương pháp truyền thống. Tuy vậy, vật liệu trong in 3D cũng đóng vai trò quan trọng và còn nhiều trở ngại kỹ thuật trong việc tạo ra bê tông đủ khỏe cho kết cấu in 3D.

Nhóm nghiên cứu của TS Phương đã tập trung tìm hiểu cấu trúc vỏ tôm hùm cho in 3D bê tông.

Trong thí nghiệm gần đây tại đại học RMIT, nhóm nghiên cứu của TS Phương đã tập trung tìm hiểu cấu trúc vỏ tôm hùm, lấy cảm hứng, và thiết kế ra những mô hình đặc biệt cho in 3D bê tông.

Khi nhóm nghiên cứu sự kết hợp giữa mô hình xoáy tròn (lấy cảm hứng từ cấu trúc vi mô của vỏ tôm hùm) và các sợi thép rất nhỏ (kích thước bằng sợi tóc), kết quả tạo ra kết cấu bê tông in 3D khỏe hơn bê tông truyền thống.

TS Phương cho hay, tuy công nghệ in 3D đã phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực như y tế, hàng không hay sản xuất ô tô, công nghệ này còn non trẻ trong lĩnh vực xây dựng. Tuy nhiên nó sẽ mở ra nhiều cơ hội, tăng cường tính hiệu quả và sáng tạo trong ngành xây dựng trong tương lai.

"Nghiên cứu của chúng tôi tập trung tìm hiểu sự ảnh hưởng của các mô hình in 3D tới chất lượng của các mẫu in bê tông, và lần đâu tiên cho thấy sự ảnh hưởng của những mẫu in lấy cảm hứng từ thiên nhiên. Chúng ta luôn biết rằng vật liệu xuất phát từ thiên nhiên, giống như vỏ tôm hùm, đã trải qua hàng trăm triệu năm tiến hóa để có được cấu trúc tối ưu, và thật thú vị nếu chúng ta có thể bắt chước được các cấu trúc này", TS Phương nói.

Công nghệ in 3D trong xây dựng

Công nghệ tự động hóa trong xây dựng đang ngày càng phát triển và chuyển hóa sâu sắc cách con người thiết kế và tạo ra các công trình trong tương lai, đặc biệt trong thời đại cách mang công nghiệp 4.0.

Sự ra đời của các máy in bê tông sẽ giúp con người xây nên những ngôi nhà, hoặc các kết cấu có kiến trúc phức tạp bằng cách in phun liên tục từng lớp bê tông có chiều dày cố định từ 5-10 milimét. Đầu in phun được điểu khiển bằng rô bốt công nghiệp được lập trình để di chuyển theo quỹ đạo nhất định tùy theo thiết kế của công trình.

Phương pháp in 3D trong xây dựng được đặc biệt ưa thích để tạo ra các công trình có độ phức tạp cao trong kiến trúc, không sử dụng khuôn ván, thời gian thi công nhanh, tiết kiệm vật liệu và nhân công.

Với công nghệ in mới nhất, một căn nhà có thể được in trong vòng 24 giờ với chi phí giảm một một nửa so với phương pháp truyền thống. Thậm chí năm 2019, một ngôi khu dân cư mới ở Mexico đã được xây dựng hoàn toàn bằng công nghệ in 3D. Ngoài ra còn nhiều công trình in 3D trên thế giới trong nhưng năm qua từ văn phòng làm việc ở Dubai, tới cầu bê tông ở thành phố Madrid hay ngôi nhà hình cánh buồm tại Hà Lan.

Tại đại học RMIT, nhóm nghiên cứu của TS Phương tập trung tìm hiểu về vật liệu bê tông thông minh, phát triển công nghệ in 3D bằng cách tạo ra các thiết kế tối ưu lấy cảm hứng từ thiên nhiên, kết hợp với các công cụ mô phỏng và tính toán số.

Mô hình in 3D tối ưu

Trong phần lớn các mô hình in 3D, các lớp vật liệu được in và sắp xếp theo các phương song song, thẳng hàng theo một hướng nhất định. Nghiên cứu mới đăng trên tạp chí "3D Printing and Additive Manufacturing" tìm hiểu sự thay đổi của hướng in giữa các lớp vật liệu và ảnh hưởng của nó tới bê tông đã được gia cường bởi các sợi thép. Nghiên cứu trước đó của nhóm cũng chỉ ra việc đưa các sợi thép với kích thước của sợi tóc vào bê tông, giúp cho bê tông in chắc hơn và đồng thời giảm thiểu sự xuất hiện của các lỗ rỗng trong kết cấu. Các sợi thép này tuy chưa chiếm tới 2% của bê tông, nhưng giúp bê tông vững chắc hơn rất nhiều trong quá trình in, đặc biệt khi in các kết cấu có chiều cao lớn. Nghiên cứu này được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Lương Phạm trong nhóm nghiên cứu của TS Phương.

Mẫu in 3D lấy cảm hứng từ kết cấu vi mô trong vỏ tôm hùm

Kết hợp giữa các mô hình in với các lớp vật liệu được in theo các hướng khác nhau, đặc biệt là thiết kế xoáy (mô phỏng theo kết cấu vi mô của vỏ tôm hùm) và các sợi thép gia cường là nghiên cứu đầu tiên trên thể giới. Trong thiết kế xoáy này các lớp vật liệu liền kề được bố trí so le một góc từ 10-45 độ theo vòng xoáy trôn ốc. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình xoáy và so le giúp kết cấu in 3D có độ cứng cao hơn so với kết cấu in song song truyền thống.

TS Phương cho biết vỏ tôm hùm có độ cong nhất định, và hiểu được sự liên kết giữa độ cong và hướng in các lớp vật liệu sẽ giúp chúng ta tạo ra những kết cấu in chắc chắn và khỏe hơn.

Trong tương lai, chúng tôi sẽ phát triển hơn nữa nghiên cứu ban đầu này với sự trợ giúp của một máy in công nghiệp, hiện đại và duy nhất ở Úc, dành cho vật liệu bê tông.

Tiến sĩ Trần Phương, bên cạnh máy in công nghiệp, đại học RMIT, Melbourne Úc.

Tiến sĩ Phương hiện là trưởng nhóm nghiên cứu vật liệu in 3D thông minh tại đại hoc RMIT, thành phố Melbourne, Úc. Anh tốt nghiệp khoa toán ĐH Quốc Gia Hà Nội và nhận bằng tiến sỹ cơ học tại đại học tổng hợp Illinois Mỹ.

Trong 10 năm qua, tiến sĩ Phương đã xuất bản trên 90 bài báo khoa học trong các lĩnh vực vật liệu và mô phỏng giành nhiều giải thưởng cho những nghiên cứu xuất sắc. TS Phương đã đào tạo 4 tiến sĩ và đang hướng dẫn trên 10 nghiên cứu sinh về các hướng khác nhau trong công nghệ in 3D.

Trung tâm nghiên cứu về in 3D tại đại học RMIT, nơi Tiến sỹ Phương đang công tác, là một trong những trung tâm nghiên cứu về vật liệu in 3D hàng đầu của Úc với tổng giả trị đầu tư lên tới 60 triệu đô và doanh thu từ nghiên cứu hàng năm từ 5 tới 10 triệu đô cho các hoạt động khoa học, tư vấn và phát triển sản phẩm.

TS Phương luôn chú trong hợp tác với nhiều nhóm nghiên cứu mạnh trong nước với mong ước đóng góp vào cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 cũng như đào tạo và kết nối thế hệ trẻ Viêt Nam với công nghệ in 3D tiên tiến.

Cập nhật: 30/01/2021 Theo Dân Trí