Ứng dụng Vật liệu cát tự nhiên trong sản xuất cấu kiện xây dựng sử dụng công nghệ in 3D

Đăng lúc 6/23/2020 12:00:00 AM

Cát tự nhiên là các hạt đá bị xói mòn hoặc phong hóa. Cát được tạo ra bằng cách nghiền đá thành những mảnh ngày càng nhỏ hơn theo thời gian. Cát cũng có thể được tạo ra từ các sinh vật sống, từ vỏ sò và các sinh vật khác của thế giới sống, và nhiều bãi biển được tạo thành từ vỏ động vật nghiền nát. Các hạt cát có thể bắt nguồn từ các hiện tượng thảm họa địa chất, như khi dung nham nóng chảy phun trào từ núi lửa và vỡ tan trong không khí, tán xạ hạt. Cát núi lửa đen này có thể được tìm thấy trên khắp thế giới, như trên các bãi biển đen của Hawai‘i. Nhưng cho đến nay, hầu hết các hạt cát được làm từ thạch anh, một trong những thành phần phổ biến nhất của trái đất, và được hình thành mỗi ngày trên những mảnh đất được phát lộ do quá trình phong hóa.

Mô hình công trình được làm bằng cát tự nhiên sử dụng công nghệ in 3D

Cát được tìm thấy ở các lòng sông và vùng ngập nước, bờ biển, sa mạc và cồn cát, cũng như các địa điểm nhân tạo bao gồm mỏ và mỏ đá. Cát có ở khắp mọi nơi và có tiềm năng trở thành nguồn tài nguyên địa phương quý giá cho công nghệ in 3D, đặc biệt hiện nay có rất nhiều nghiên cứu đưa ra các giải pháp thay thể vật liệu cát trong xây dựng cơ bản và khai hoang. 

Cát được tìm thấy ở mọi quốc gia trên thế giới và được sử dụng để tạo ra những thứ đơn giản nhất cho tới những sản phẩm ứng dụng công nghệ tiên tiến nhất, từ kem đánh răng cho đến các loại vi mạch điện tử. Cát cũng được dùng làm vật liệu trong quá trình luyện kim. Trong lĩnh vực xây dựng, cát cũng là vật liệu quan trọng trong nhiều công đoạn thi công công trình. Nhiều quốc gia sử dụng cát để mở mang lãnh thổ đất đai của mình. Ví dụ, Singapore ngày nay lớn hơn 22% so với những năm 1950 vì hàng tỷ tấn cát đã được đổ thêm vào hòn đảo hiện tại kể từ thời điểm đó. Singapore đang có kế hoạch mở rộng lãnh thổ của mình thêm mười lăm ngàn mẫu Anh trong mười lăm năm tới. Tuy nhiên, sự gia tăng diện tích lãnh thổ của một quốc gia đồng nghĩa với sự suy giảm lãnh thổ của một quốc gia khác. Ở Indonesia, khoảng hai chục hòn đảo đã biến mất kể từ năm 2005 do khai thác cát chủ yếu bởi Singapore.

Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu cát tự nhiên.

Cát là một trong những vật liệu quan trọng nhất cho ngành xây dựng. Cát là được sử dụng rộng rãi trong quá trình thi công công trình; nó có thể được kết hợp với nước, sỏi và xi măng để biến thành một trong những vật liệu xây dựng bền nhất và phổ biến nhất trên thế giới: bê tông. Khi nước được trộn với cát, tính chất của nó thay đổi đáng kể; hợp chất giữa cát và nước trở thành một chất rắn có thể định hình được và cũng cần rất ít chất lỏng để thực hiện điều này. Đó là lý do in 3D với cát và vật liệu cỡ cát khác là hoàn toàn khả thi. Có đủ sức căng bề mặt giữa chất lỏng và hạt cát để làm cho chúng kết dính lại với nhau.

Cát được tìm thấy ở các lòng sông và vùng ngập nước, bờ biển, sa mạc và cồn cát, cũng như các địa điểm nhân tạo bao gồm mỏ và mỏ đá. Cát có ở khắp mọi nơi và có tiềm năng trở thành nguồn tài nguyên địa phương quý giá cho công nghệ in 3D, đặc biệt hiện nay có rất nhiều nghiên cứu đưa ra các giải pháp thay thể vật liệu cát trong xây dựng cơ bản và khai hoang.

Trong ngành công nghiệp sản xuất sử dụng công nghệ in 3D hiện nay, cát được sử dụng phổ biến nhất trong các máy in khối lớn sản xuất khuôn cát để đúc kim loại. Kim loại nóng chảy được đổ vào khuôn cát Silica in 3D để sản xuất các bộ phận của ô tô và máy móc hàng không vũ trụ như khối động cơ và cánh quạt máy bay. Đối với ngành thiết kế kiến trúc và xây dựng hiện nay, các đơn vị thiết kế đã cũng đã ứng dụng sử dụng vật liệu cát tự nhiên trong in 3D để nghiên cứu những phương pháp xây dựng mới có thể ứng dụng thi công các công trình trong tương lai. Phương pháp này sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất các cấu kiện của công trình từ vật liệu cát tự nhiên. Việc tự động hóa phương pháp xây dựng này hoàn toàn có thể xảy ra trong tương lai và chúng ta có thể tưởng tượng ra một kịch bản trong đó một máy in 3D di động lướt qua địa hình, hút cát tại chỗ, bơm qua vòi phun, phun cát thành các tuyến và tạo thành các khối và tường của công trình. Cát được trộn với một chất kết dính chất lỏng hữu cơ, làm cho các hạt dính lại với nhau tạo thành một loại sa thạch mới, một vật liệu xây dựng có sức chịu tải tốt và là vật liệu địa phương, không tiêu tốn năng lượng để sản xuất và vận chuyển. Việc sử dụng công nghệ in 3D với vật liệu cát tự nhiên để xây dựng công trình hứa hẹn một tương tai mà các công trình kiến trúc và địa hình tự nhiên có thể hợp nhất làm một khi đó con người có thể sinh sống mà không làm ảnh hưởng tới cảnh quan thiên nhiên nữa.

Mô hình mô phỏng các công trình công tương lai được làm từ vật liệu cát tự nhiên sử dụng công nghệ in 3D

Mô hình mô phỏng các công trình công tương lai được làm từ vật liệu cát tự nhiên sử dụng công nghệ in 3D

Các cấu kiện xây dựng được sản xuất từ vật liệu cát tự nhiên sử dụng công nghệ in 3D.

Bằng cách sử dụng các cấu kiện xây dựng được in 3D, chúng ta có thể tạo ra các kết cấu chống động đất để khuếch tán lực tác động đến công trình từ trận động đất thông qua các thành phần kết nối của tường hoặc cột. Cột Quake lấy ý tưởng từ các kỹ thuật xây dựng truyền thống của người Inca để nghiên cứu khả năng này. Peru không ổn định về mặt địa chất, và trong nhiều thế kỷ, việc xây dựng không có vữa dường như có khả năng chống động đất hơn là sử dụng vữa. Cấu trúc lồng vào nhau của những bức tường đá do người Inca xây dựng có thể chuyển vị nhẹ trong trận động đất và có thể ổn định trở lại mà không bị sụp đổ, kỹ thuật này sử dụng cả nguyên lý tiêu tán năng lượng và triệt tiêu các khuếch đại cộng hưởng. Các bức tường Inca cũng có xu hướng nghiêng vào bên trong từ ba đến năm độ và các góc của chúng được làm tròn góp phần vào sự ổn định của chúng. Mỗi “viên đá” của cột Quake cũng tận dụng ý tưởng này và liên kết chặt chẽ với các khối bên cạnh. Trong khi các khối xây của người Inca rất lớn và có thể nặng tới vài tấn thì các khối xây được in 3D tương đối nhẹ và rỗng. Mỗi khối được đánh số để chỉ định vị trí của nó trong trình tự xây dựng. Ngoài ra, mỗi viên đá in 3D kích thước lớn đều có tay cầm tích hợp để dễ dàng nâng, điều khiển và đặt.

Tường đá cổ đại của người Inca

Những “viên đá” được in 3D của cột Quake

Cột Quake

Bức tường Involute là một nguyên mẫu cho nghiên cứu về lớp vỏ cách nhiệt và giảm âm trong một cấu trúc cát in 3D khối lớn. Các bề mặt phức tạp làm giảm sự cộng hưởng trong phòng bằng cách hấp thụ và chuyển hướng sóng âm. Cách vách  in cát 3D khổng lồ có tải trọng lớn cho phép các mặt đứng công trình đóng vai trò cách nhiệt do che chắn phần lớn bức tường trong bóng râm, điều này thích hợp với những khí hậu nóng có sự thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt.

Mặt trước của khối Picoroco

Mặt sau của khối Picoroco

Khối Picoroco là một khối xây dựng dạng mô-đun được in 3D từ vật liệu cát tự nhiên để thi công lắp ghép thành các bức tường. Mỗi khối là một khối có kích thước mỗi chiều 12 inch, có thể thay đổi kích thước bằng cách sử dụng quy trình in 3D. Các khớp giữa các khối trở nên vô hình do các họa tiết dạng lỗ tổ ong xoay dọc theo bề mặt của chúng. Điều này cho phép một bề mặt dường như kéo dài liên tục, mặc dù bức tường là mô-đun. Mặt sau của bức tường thể hiện rõ ràng các khớp và hình dạng cơ bản của thiết kế.

Người viết: Thạc sỹ Vương Ngọc Hải

(Giảng viên bộ môn Nội ngoại thất – Khoa Nội thất và Mỹ thuật công nghiệp)