Đề tài nghiên cứu khoa học: Xác định các yêu cầu và thiết kế thành phần cấp phối đáp ứng các yêu cầu về tính công tác của vật liệu xây dựng phục vụ in 3D

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:57

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu thiết kế cấp phối vữa phục vụ cho công nghệ in 3D. Với mục tiêu đảm bảo độ linh động, tính công tác của hỗn hợp trong quá trình nhào trộn và in 3D, đồng thời, sau khi in thì các lớp in nhanh chóng hóa rắn, không bị thay đổi hình dạng, không bị hư hỏng, đứt gãy và hình thành cường độ tốt để đảm bảo khối in không bị biến dạng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Xác định các yêu cầu và thiết kế thành phần cấp phối đáp ứng các yêu cầu về tính công tác của vật liệu xây dựng phục vụ in 3D

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN XÁC ĐỊNH YÊU CẦU VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI ĐÁP ỨNG CÁC YÊU CẦU VỀ TÍNH CÔNG TÁC CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG PHỤC VỤ IN 3D MÃ SỐ: SV2020-163 SKC 0 0 7 3 3 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN XÁC ĐỊNH YÊU CẦU VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI ĐÁP ỨNG CÁC YÊU CẦU VỀ TÍNH CÔNG TÁC CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG PHỤC VỤ IN 3D Mã số đề tài: SV2020-163 Thuộc nhóm ngành khoa học: QUI HOẠCH – KIẾN TRÚC – XÂY DỰNG TP Hồ Chí Minh, 10/2020 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN XÁC ĐỊNH YÊU CẦU VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI ĐÁP ỨNG CÁC YÊU CẦU VỀ TÍNH CÔNG TÁC CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG PHỤC VỤ IN 3D Mã số đề tài: SV2020-163 Thuộc nhóm ngành khoa học: QUI HOẠCH – KIẾN TRÚC –XÂY DỰNG SV thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu - Mã số SV: 18149087 Nguyễn Thành Tín - Mã số SV: 18149183 Nguyễn Đình Quý - Mã số SV: 18149155 Trần Duy Trình - Mã số SV: 18149189 Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: Lớp 18149CL1, khoa: Đào tạo CLC Năm thứ: 2 /Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Công nghệ kĩ thuật công trình xây dựng Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Đức Hùng TP Hồ Chí Minh, 10/20 2
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................................... 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................... 5 Chương 1: TỔNG QUAN ..................................................................................................... 12 1.1 Giới thiệu chung .............................................................................................................. 12 1.2 Tình hình nghiên cứu ...................................................................................................... 14 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................................ 14 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................................. 15 1.3 Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................................. 16 1.4 Mục tiêu của đề tài .......................................................................................................... 16 1.5 Nhiệm vụ của đề tài ......................................................................................................... 16 1.6 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................. 17 1.7 Ý nghĩa khoa học thực tiễn ............................................................................................. 17 1.7.1 Ý nghĩa khoa học.......................................................................................................... 17 1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................................... 17 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................................... 19 2.1 Tổng quan về công nghệ in 3D và công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng ............... 19 2.1.1 Công nghệ in 3D........................................................................................................... 19 2.1.1.1 Khái niệm về công nghệ in 3D .................................................................................. 19 2.1.1.2 Lợi ích của công nghệ in 3D ..................................................................................... 20 2.1.1.3 Ứng dụng của công nghệ in 3D ................................................................................. 21 2.1.2 Công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng ................................................................... 22 2.1.2.1 In nhà 3D trong xây dựng.......................................................................................... 24 2.1.2.2 Ưu nhược điểm của công nghệ in 3D trong xây dựng .............................................. 25 2.2 Thành phần cấp phối vữa dùng cho in 3D ...................................................................... 27 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và tính công tác của cấp phối ............................... 28 2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ ............................................................................ 28 2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính công tác ...................................................................... 29 Chương 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ............................ 31 3
3.1 Nguyên vật liệu ............................................................................................................... 31 3.1.1 Xi măng ........................................................................................................................ 31 3.1.2 Cốt liệu cát.................................................................................................................... 32 3.1.3 Nước ............................................................................................................................. 34 3.2 Thành phần cấp phối ...................................................................................................... 34 3.3 Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm ............................................................................... 35 3.3.1 Phương pháp tạo mẫu ................................................................................................... 35 3.3.2 Phương pháp thí nghiệm .............................................................................................. 37 3.3.2.1 Nhào trộn và đúc mẫu ............................................................................................... 37 3.3.2.2 Thí nghiệm xác định độ lưu động của cấp phối ........................................................ 39 3.3.2.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu uốn ................................................................... 40 3.3.2.4 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ................................................................... 41 Chương 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ....................................................... 43 4.1 Xác định độ lưu động của hỗn hợp vữa tươi ................................................................... 43 4.2 Xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn của mẫu vữa .................................. 45 4.3 Xác định khối lượng thể tích của hỗn hợp vữa tươi ........................................................ 47 4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính công tác, khả năng giữ hình dạng cường độ của khối in 3D ....................................................................................................... 48 4.4.1 Hàm lượng chất kết dính có trong cấp phối ................................................................. 48 4.4.2 Tỷ lệ Nước/ Chất kết dính trong cấp phối .................................................................... 48 4.4.3 Tốc độ rải từng lớp in 3D ............................................................................................. 49 4.4.4 Thời gian rải từng lớp in 3D ......................................................................................... 50 4.4.5 Vệ sinh đương ống và thiết bị in 3D ............................................................................ 50 4.5 Áp dụng công nghệ in 3D để tạo kết cấu tường chịu lực ................................................ 50 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................... 52 5.1 Kết luận ........................................................................................................................... 52 5.2 Hướng phát triển của đề tài ............................................................................................. 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 54 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH Chương 1: TỔNG QUAN Hình 1.1 Công nghệ in 3D trong lĩnh vực chế tạo các sản phẩm từ nhựa ........................... 12 Hình 1.2 Ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng ............................................ 14 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Công nghệ in 3D trong ngành công nghiệp chế tạo .............................................. 20 Hình 2.2 Ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng ............................................ 23 Hình 2.3 Ngôi nhà in 3D dành cho nhóm người thu nhập thấp tại Mỹ năm 2018 ............... 24 Hình 2.4 Biệt thự xây dựng bằng công nghệ in 3D – Winsun ............................................. 26 Hình 2.5 Ảnh hương của khả năng xây các lớp vữa cho công nghệ in 3D .......................... 28 Chương 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Hình 3.1 Xi măng PCB40 - Phúc Sơn .................................................................................. 31 Hình 3.2 Cát sử dụng trong thí nghiệm ................................................................................ 33 Hình 3.3 Biểu đồ thành phần hạt cát trong thí nghiệm ........................................................ 34 Hình 3.4 Thiết bị đùn ép vữa rải phục cho in 3D ................................................................. 36 Hình 3.5 Hình dáng tạo mẫu lớp vữa sau khi in................................................................... 36 Hình 3.6 Quá trình đẩy vữa ra khỏi đầu in tạo nên lớp in 3D .............................................. 37 Hình 3.7 Các lớp in được rải chồng lên nhau....................................................................... 38 Hình 3.8 Khối in sau khi khô ............................................................................................... 38 Hình 3.9 Thí nghiệm xác định độ lưu động của hỗn hợp ..................................................... 40 Hình 3.10 Mẫu vữa thí nghiệm uốn, nén .............................................................................. 40 Hình 3.11 Thí nghiệm xác định cường độ chịu uốn ............................................................. 41 Hình 3.12 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ............................................................. 42 Chương 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Hình 4.1 Độ lưu động theo phương pháp bàn dằn cho từng cấp phối ................................. 44 Hình 4.2 Cường độ chịu nén theo từng cấp phối ................................................................. 45 Hình 4.3 Cường độ chịu uốn theo từng cấp phối ................................................................. 46 Hình 4.4 Khối lượng thể tích theo từng cấp phối ................................................................. 47 Hình 4.5 Hỗn hợp vữa bị khô tạo nhiều vết đứt đoạn trên bề mặt lớp in ............................. 49 5
Hình 4.6 Các điểm đùn vữa khi tốc độ rải không đều .......................................................... 49 Hình 4.7 Chiều cao lớp tường chịu lực in 3D ...................................................................... 50 Hình 4.8 Kết cấu tường chịu lực in 3D sau khi in ............................................................... 51 Hình 4.9 Kết cấu tường chịu in 3D sau khi đóng rắn ........................................................... 51 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của xi măng Phúc Sơn PCB40 ............................................. 32 Bảng 3.2 Lượng sót tích lũy thành phần hạt cát sử dụng trong thí nghiệm ...................... 33 Bảng 3.3 Thành phần cấp phối in 3D ................................................................................ 35 Chương 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm xác định độ lưu động của hỗn hợp vữa tươi ...................... 43 Bảng 4.2 Kết quả cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn theo từng cấp phối ............. 45 Bảng 4.3 Kết quả khối lượng thể tích hỗn hợp vữa theo từng cấp phối ........................... 47 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 7
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Xác định các yêu cầu và thiết kế thành phần cấp phối đáp ứng các yêu cầu về tính công tác của vật liệu xây dựng phục vụ in 3D. - Chủ nhiệm đề tài: Trần Duy Trình Mã số SV: 18149189 - Lớp: 18149CL1B Khoa: Chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Trần Duy Trình 18149189 18149CL1B Chất lượng cao 2 Nguyễn Đình Quý 18149155 18149CL1B Chất lượng cao 3 Nguyễn Thành Tín 18149183 18149CL1B Chất lượng cao 4 Nguyễn Đức Hiếu 18149087 18149CL1B Chất lượng cao - Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Đức Hùng 2. Mục tiêu đề tài: Đề tài nghiên cứu thiết kế cấp phối vữa phục vụ cho công nghệ in 3D. Với mục tiêu đảm bảo độ linh động, tính công tác của hỗn hợp trong quá trình nhào trộn và in 3D, đồng thời, sau khi in thì các lớp in nhanh chóng hóa rắn, không bị thay đổi hình dạng, không bị hư hỏng, đứt gãy và hình thành cường độ tốt để đảm bảo khối in không bị biến dạng. 3. Tính mới và sáng tạo: Hoàn thành thiết kế thành phần cấp phối vữa cho công nghệ in 3D, góp phần đa dạng hóa tính ứng dụng của công nghệ in 3D này vào lĩnh vực xây dựng. 8
Sản phẩm được sản xuất, chế tạo và thi công bằng máy móc, hạn chế được nhân công thi công. Ngoài ra, việc ứng dụng công nghệ in 3D vào chế tạo các sản phẩm đúc sẵn còn góp phần đa dạng hóa các công nghệ sản xuất cấu kiện đúc sẵn trong ngành xây dựng hiện nay. Tạo ra hướng nghiên cứu mới trong ngành xây dựng liên quan đến cộng nghiệp xây dựng tự động trong thời đại mới. Nâng cao chất lượng đào tạo nhân lực thông qua sự tham gia của người học đối với các dự án liên quan đến công nghệ 3D, đáp ứng tốc độ hội nhập công nghệ xây dựng từ các nước tiên tiến. Đóng góp các kết quả thực nghiệm vào nguồn tài liệu, hỗ trợ cho công tác nghiên cứu trong lĩnh vực này. 4. Kết quả nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu các yêu cầu về và thiết kế thành phần cấp phối cấp phối phục vụ công nghệ in 3D sao cho hỗn hợp đảm bảo tính công tác tốt, đóng rắn tốt khi thi công chế tạo. Sản phẩm vữa được tạo ra đạt các yêu cầu về tính công tác, độ ổn định hình dáng. Từ đó có thể phát triển công nghệ in 3D, tạo ra các kết cấu hoặc các cấu kiện thay thế một phần cho công tác vữa truyền thống, giúp giảm nhân công và các ảnh hưởng khi thi công bằng tay. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Đối với giáo dục và đào tạo: - Tạo ra hướng nghiên cứu mới trong ngành xây dựng liên quan đến cộng nghiệp xây dựng tự động trong thời đại công nghiêp 4.0. - Nâng cao chất lượng đào tạo nhân lực thông qua sự tham gia của người học đối với các dự án liên quan đến công nghệ 3D, đáp ứng tốc độ hội nhập công nghệ xây dựng từ các nước tiên tiến. - Đóng góp các kết quả thực nghiệm vào nguồn tài liệu, hỗ trợ cho công tác nghiên cứu trong lĩnh vực này. Đối với lợi ích kinh tế - xã hội: 9
Đóng góp vào nguồn nguyên liệu cho công nghệ in 3D khi xét về tổng thể lợi ích mà công nghệ in 3D áp dụng cho xây dựng. Công nghệ này giải quyết được các vấn đề lớn: - Chi phí: khi sử dụng công nghệ in 3D, thời gian xây dựng sẽ được rút ngắn (yếu tố thời gian) thông qua hoạt động máy móc và cắt giảm chi phí nhân công (yếu tố nhân lực) thông qua mô hình tự động hóa. Không tạo ra nguyên liệu thừa (yếu tố vật tư) hay hao hụt so với phương pháp xây dựng truyền thống và hơn hết là chi phí cho ván khuôn (yếu tố kỹ thuật thi công) kể cả khi xây dựng tại hiện trường hay trong nhà máy sản xuất vữa đúc sẵn. Khi công trình được kiểm soát thông qua máy tình, việc đánh giá dự án (yếu tố vận hành - quản lý) cũng được kiểm soát chặc chẽ hơn cả về ngân sách và tiến độ. - Hạn chế về sự sáng tạo và đa dạng sản phẩm của ngành xây dựng: không phụ thuộc vào hình dạng ván khuôn, tạo ra cơ hội sáng tạo cho các kiến trúc sư ở nhiều hình dạng phức tạp, đa dạng hóa sản phẩm xây dựng, tạo ra các công trình có cấu trúc phức tạp mà phương pháp truyền thống khó hoặc không thể thực hiện. - Mức độ hoàn thiện sản phẩm xây dựng: khi sử dụng máy móc thì sản phẩm xây dựng sẽ đồng nhất, tránh việc mất kiểm soát được chất lượng công trình. Ngoài ra, chi phí cho việc vận chuyển thấp không như phương pháp truyền thống với việc phải thuê hay di chuyển nguồn nhân lực lành nghề. - Thân thiện môi trường và an toàn cho người lao động: việc ứng dụng công nghệ này kết hợp với việc sử dụng nguồn vật liệu đáp ứng phù hợp với công trình sẽ tạo ra môi trường sạch và chất lượng cuộc sống được nâng cao ngoài ra, công nghệ in 3D cũng giải quyết được nơi tạm trú cho nạn nhân thiên tai hay vùng khó khăn với thời gian xây dựng nhanh và khả năng đáp ứng quy mô xây dựng nhỏ. Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài 10
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài: Ngày tháng năm Người hướng dẫn 11
Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Trong xã hội hiện đại ngày nay, con người không ngừng cải tiến, đổi mới và phát khoa học kỹ thuật để nâng cao chất lượng đời sống, học tập, làm việc, … Công cuộc đẩy mạnh nghiên cứu, phát triển khoa học kỹ thuật đa ngành nghề trên toàn cầu đã tạo nên rất nhiều thành tựu có ý nghĩa quan trọng; trong đó các thành tựu từ công nghệ in 3D có thể áp dụng một cách hiệu quả ở đa ngành nghề. Các sản phẩm in 3D rất đa dạng về vật liệu cấu tạo, kích thước và hình dáng hình học từ đơn giản đến phức tạp. Trong ngành công nghiệp xây dựng, công nghệ in 3D hiện nay đã và đang được đẩy mạnh nghiên cứu chế tạo và áp dụng tại nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới. Hình 1.1. Công nghệ in 3D trong lĩnh vực chế tạo các sản phẩm từ nhựa [1] Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau được dùng để khái niệm về Công nghệ in 3D, bên cạnh những tên khác như Công nghệ sản xuất đắp dần, Công nghệ tạo mẫu nhanh, Công nghệ chế tạo nhanh và Công nghệ chế tạo trực tiếp, ... Như vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra 12
đời dựa trên cơ chế hay tính chất của công nghệ; quá trình này trái ngược với công nghệ sản xuất cắt gọt, mài giũa truyền thống được dùng trong các ngành công nghiệp chế tạo trước đây. Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials – ASTM) thì “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay”. Các khái niệm về in 3D đã được hình dung từ những năm từ những năm 1970 nhưng các thí nghiệm đầu tiên được thực hiện từ những năm 1980 [1], [2]. Vào năm 1986, kỹ sư vật lý người Mỹ Charles Hull - người đặt nền móng cho công nghệ in 3D đã sáng tạo ra một quá trình gọi là “Stereolithography” giúp sản xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser. Sau đó Hull thành lập công ty 3D Systems - một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực sản xuất đắp dần [3]. Từ đó các ứng dụng của công nghệ 3D ngày càng được đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau, từ các lĩnh vực vĩ mô như hàng không, vũ trụ, quốc phòng đến các ngành nghề cơ bản như y tế, giáo dục, nghệ thuật, thời trang hay cả ẩm thực, đồ dùng sinh hoạt gia đình, … Trong đó công nghệ in 3D trong ngành xây dựng hiện nay tuy chỉ mới nghiên cứu ứng dụng ở giai đoạn đầu nhưng đã cho một số kết quả khả quan. Ngoài ra công nghệ in 3D cũng có thể in ra các mô hình kiến trúc, thiết kế căn hộ để phục vụ cho việc trưng bày hoặc kiểm tra lại thiết kế. Vật liệu áp dụng phổ biến nhất cho công nghệ in 3D trong xây dựng hiện nay chủ yếu là nhựa, cát hoặc vữa. Với rất nhiều nỗ lực nghiên cứu để nâng cao về chất lượng, tốc độ, chi phí vật liệu, chi phí lao động và cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động đến môi trường thì công nghệ in 3D đã và đang dần chứng minh tính hiệu quả cao trong lĩnh vực xây dựng hiện nay. 13
Hình 1.2. Ứng dụng công nghệ 3D trong lĩnh vực xây dựng 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Peng Wu đã đánh giá về tầm quan trọng của công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng. Tác giả phân tích và đưa ra đánh giá về khả năng tùy biến được tăng lên, thời gian xây dựng, nhân lực và chi phí xây dựng giảm đi. Bên cạnh đó tác giả cũng chỉ ra về một số lưu ý cần khắc phục là các thử nghiệm và cải tiến công nghệ còn rời rạc, mức độ hiểu biết về công nghệ chưa được tối ưu, tiềm năng triển khai các dự án xây dựng sử dụng công nghệ in 3D bị hạn chế, … Do đó cần phải hiểu rõ về công nghệ để khắc phục khuyết điểm và ứng dụng tốt hơn trong tương lai. [4] So sánh với phương pháp thi công truyền thống, sản phẩm in 3D giảm được lượng vật liệu thừa, chi phí ván khuôn và tối thiểu hóa nguồn nhân lực. Với kết quả đạt được trong 14
nghiên cứu của Rouhana [5] đã chỉ ra rằng chi phí có thể giảm đến 40% tổng ngân sách cho quá trình xây dựng. Peng Feng và các cộng sự đã nghiên cứu về các tính chất cơ học của sản phẩm in 3D sử dụng vữa gốc xi măng. Tác giả thực hiện các thí thí nghiệm nén và uốn mẫu để xác định các tính chất cơ học của sản phẩm in 3D và dát mỏng các lớp in với độ định hướng rõ ràng. Kết quả thu được là mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng cũng như mức độ hỏng hóc và phá hủy của sản phẩm chịu sự ảnh hưởng rất lớn từ hướng in (in theo chiều dài hoặc in theo chiều rộng của sản phẩm in)[6]. Có ba phương pháp in được sử dụng phổ biến hiện này là đùn vữa, Powder Based và D-Shape techniques [7,8,9]. Mỗi phương pháp có những lợi thế riêng. Phương pháp đùn vữa tạo ra sợi vữa có tiết diện không đổi, chồng lên nhau, phù hợp cho cấu kiện lớn, tuy nhiên gặp trở ngại liên quan đến vật liệu sử dụng và tiến trình in để đảm bảo độ vững chắc cho mỗi lượt rãi vữa. Phương pháp Powder Based và D-Shape techniques cơ bản có cùng nguyên tắc in, và khắc phục được hầu hết nhược điểm của kỹ thuật đùn, tuy nhiên chỉ ứng dụng ở những cấu kiện nhỏ và trong phòng thí nghiệm, tính ứng dụng thực tế cho ngành xây dưng không được đánh giá cao. Khi ứng dụng kỹ thuật đùn vữa trong công nghệ in 3D, nhằm khắc phục nhược điểm liên quan đến độ bề vững của mỗi lớp vữa sau khi rãi, nhiều nghiên cứu đã sử dụng sợi trong cấp phối để cải thiện đặc điểm bất lợi này [10-11]. Tuy nhiên không phải lúc nào sợi cũng luôn được sử dụng, bởi vật liệu này cũng làm giảm độ dẻo và cường độ của vữa sau khi thành phẩm. 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện chưa tìm thấy các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. 15
1.3 Tính cấp thiết của đề tài Xuất phát từ khả năng ứng dụng rộng rãi trên thế giới của công nghệ in 3D trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp ô tô, điện tử, y tế, giáo dục, thực phẩm, đồ gia dụng, … đề tài tập trung nghiên cứu vật liệu xây dựng phục vụ cho công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng, góp phần đa dạng hóa tính ứng dụng của công nghệ này. Các vật liệu được nghiên cứu là vữa sao cho hỗn hợp đảm bảo tính công tác tốt, đóng rắn tốt khi thi công chế tạo. Sản phẩm vữa được tạo ra đạt các yêu cầu về tính công tác, độ ổn định hình dáng. Công nghệ in 3D tạo ra các kết cấu hoặc các cấu kiện thay thế một phần cho công tác vữa truyền thống, giúp giảm nhân công và các ảnh hưởng khi thi công bằng tay. Đề tài nghiên cứu khả năng sử dụng nguyên vật liệu địa phương và ứng dụng công nghệ in 3D cho vật liệu xây dựng (vữa) tại Việt Nam. 1.4 Mục tiêu của đề tài Đề tài nghiên cứu thiết kế cấp phối vữa phục vụ cho công nghệ in 3D. Với mục tiêu đảm bảo độ linh động, tính công tác của hỗn hợp trong quá trình nhào trộn và in 3D, đồng thời, sau khi in thì các lớp in nhanh chóng hóa rắn, không bị thay đổi hình dạng, không bị hư hỏng, đứt gãy và hình thành cường độ tốt để đảm bảo khối in không bị biến dạng. 1.5 Nhiệm vụ của đề tài  Xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu cát  Xác định thành phần cấp phối hỗn hợp vữa phục vụ cho công nghệ in 3D với hàm lượng xi măng khác nhau  Xác định độ lưu động của từng cấp phối  Xác định sự thay đổi về cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn của các cấp phối  So sánh sự thay đổi về cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn của các cấp phối 16
1.6 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu từ các tài liệu ngoài nước kèm theo đó là thực hiện các thí để kiểm tra, so sánh và đánh giá kết quả đạt được. 1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.7.1 Ý nghĩa khoa học Hoàn thành thiết kế thành phần cấp phối vữa cho công nghệ in 3D, góp phần đa dạng hóa tính ứng dụng của công nghệ in 3D này vào lĩnh vực xây dựng. Sản phẩm được sản xuất, chế tạo và thi công bằng máy móc, hạn chế được nhân công thi công. Ngoài ra, việc ứng dụng công nghệ in 3D vào chế tạo các sản phẩm đúc sẵn còn góp phần đa dạng hóa các công nghệ sản xuất cấu kiện đúc sẵn trong ngành xây dựng hiện nay. Tạo ra hướng nghiên cứu mới trong ngành xây dựng liên quan đến cộng nghiệp xây dựng tự động trong thời đại mới. Nâng cao chất lượng đào tạo nhân lực thông qua sự tham gia của người học đối với các dự án liên quan đến công nghệ 3D, đáp ứng tốc độ hội nhập công nghệ xây dựng từ các nước tiên tiến. Đóng góp các kết quả thực nghiệm vào nguồn tài liệu, hỗ trợ cho công tác nghiên cứu trong lĩnh vực này. 1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn Đóng góp vào nguồn nguyên liệu cho công nghệ in 3D khi xét về tổng thể lợi ích mà công nghệ in 3D áp dụng cho xây dựng với nhiều lợi ích thiết thực. Chi phí: khi sử dụng công nghệ in 3D, thời gian xây dựng sẽ được rút ngắn (yếu tố thời gian) thông qua hoạt động máy móc và cắt giảm chi phí nhân công (yếu tố nhân lực) thông qua mô hình tự động hóa. Không tạo ra nguyên liệu thừa (yếu tố vật tư) hay hao hụt so với phương pháp xây dựng truyền thống và hơn hết là chi phí cho ván khuôn (yếu tố kỹ thuật thi công) kể cả khi xây dựng tại hiện trường hay trong nhà máy sản xuất vữa đúc sẵn. Khi công trình được kiểm soát thông qua máy tình, việc đánh giá dự án (yếu tố vận hành - quản lý) cũng được kiểm soát chặc chẽ hơn cả về ngân sách và tiến độ. 17
Đẩy mạnh sự sáng tạo và đa dạng sản phẩm của ngành xây dựng: không phụ thuộc vào hình dạng ván khuôn, tạo ra cơ hội sáng tạo cho các công trình, cấu kiện có nhiều hình dạng phức tạp mà phương pháp truyền thống khó hoặc không thể thực hiện. Mức độ hoàn thiện sản phẩm xây dựng: khi sử dụng máy móc thì sản phẩm xây dựng sẽ đồng nhất, tránh việc mất kiểm soát được chất lượng công trình. Ngoài ra, chi phí cho việc vận chuyển thấp không như phương pháp truyền thống với việc phải thuê hay di chuyển nguồn nhân lực lành nghề. Thân thiện môi trường và an toàn cho người lao động: việc ứng dụng công nghệ này kết hợp với việc sử dụng nguồn vật liệu địa phương, đáp ứng phù hợp công trình sẽ tạo ra môi trường sạch và chất lượng cuộc sống được nâng cao. Ngoài ra, công nghệ in 3D cũng giải quyết được nơi tạm trú cho nạn nhân thiên tai hay vùng khó khăn với thời gian xây dựng nhanh và khả năng đáp ứng quy mô xây dựng nhỏ. 18
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về công nghệ in 3D và công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng 2.1.1 Công nghệ in 3D 2.1.1.1 Khái niệm về công nghệ in 3D Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials – ASTM) thì “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay”. Công nghệ in 3D bao gồm rất nhiều các quy trình khác nhau, cung cấp đầy đủ các khả năng để sản xuất một chi tiết hay toàn bộ sản phẩm bằng các vật liệu khác nhau. Về cơ bản, tất cả các quy trình và công nghệ in 3D đều có điểm chung là việc sản xuất được thực hiện theo từng lớp, từng lớp một, bồi đắp dần để tạo ra sản phẩm; ngược với các phương pháp sản xuất truyền thống là cắt gọt trên nguyên liệu có sẵn, hoặc các quá trình sử dụng khuôn đúc áp dụng nguyên lý đắp chồng lớp để chế tạo ra sản phẩm. In 3D là một phương pháp sản xuất hoàn toàn khác dựa trên công nghệ tiên tiến tạo nên các bộ phận, từng lớp bồi đắp lên, trong các lớp độ chính xác là mm. Điều này về cơ bản khác với bất kỳ kỹ thuật sản xuất truyền thống nào. Có một số hạn chế đối với sản xuất truyền thống, vốn là dựa trên lao động của con người và được làm bằng tay hoặc máy móc. Các công nghệ này đều là bớt đi vật liệu từ một khối lớn. Đối với nhiều ứng dụng, các quy trình thiết kế và sản xuất truyền thống gây ra rất nhiều khó khăn, bao gồm công cụ đắt tiền, dụng cụ sản xuất, và cần phải có dây chuyền lắp ráp cho các bộ phận phức tạp. Ngoài ra, các quy trình sản xuất truyền thống, chẳng hạn như gia công, có thể dẫn đến 90% khối lượng nguyên vật liệu bị lãng phí. Ngược lại, in 3D là một quá trình tạo ra các đối tượng trực tiếp, bằng cách thêm lớp vật liệu theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng. 19