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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

XÁC ĐỊNH YÊU CẦU VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN
CẤP PHỐI ĐÁP ỨNG CÁC U CẦU VỀ TÍNH
CƠNG 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
U CẦU VỀ TÍNH CƠNG 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
U CẦU VỀ TÍNH CƠNG 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: Cơng nghệ kĩ thuật cơng 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 ngồi 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 cơng 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 cơng 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 cơng 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 cơng 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 Cơng nghệ in 3D trong lĩnh vực chế tạo các sản phẩm từ nhựa ........................... 12
Hình 1.2 Ứng dụng cơng nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng ............................................ 14
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1 Cơng nghệ in 3D trong ngành cơng nghiệp chế tạo .............................................. 20
Hình 2.2 Ứng dụng cơng nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng ............................................ 23
Hình 2.3 Ngơi 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: NGUN 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 khơ ............................................................................................... 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 khơng 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 u cầu về
tính cơng 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 Q

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 cơng 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, khơng bị thay đổi hình dạng, khơng
bị hư hỏng, đứt gãy và hình thành cường độ tốt để đảm bảo khối in khơng bị biến dạng.

3. Tính mới và sáng tạo:
Hoàn thành thiết kế thành phần cấp phối vữa cho cơng 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 cơng
thi cơng. Ngồi ra, việc ứng dụng công nghệ in 3D vào chế tạo các sản phẩm đúc sẵn cịn góp
phần đa dạng hóa các cơng 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 cơng tác tốt, đóng rắn tốt khi thi cơng
chế tạo. Sản phẩm vữa được tạo ra đạt các yêu cầu về tính cơng tác, độ ổn định hình dáng. Từ
đó có thể phát triển cơng 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 ngun liệu cho cơng nghệ in 3D khi xét về tổng thể lợi ích mà cơng
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 cơng (yếu tố nhân lực) thơng

qua mơ 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 khn (yếu tố kỹ thuật thi
công) kể cả khi xây dựng tại hiện trường hay trong nhà máy sản xuất vữa đúc sẵn. Khi cơng
trình được kiểm sốt thơng 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: khơng phụ thuộc vào
hình dạng ván khn, 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 cơng trình có cấu trúc phức tạp mà phương pháp
truyền thống khó hoặc khơng 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 sốt được chất lượng cơng trình. Ngồi ra, chi phí cho việc
vận chuyển thấp khơng như phương pháp truyền thống với việc phải thuê hay di chuyển
nguồn nhân lực lành nghề.
- Thân thiện môi trường và an tồn cho người lao động: việc ứng dụng cơng nghệ này kết hợp
với việc sử dụng nguồn vật liệu đáp ứng phù hợp với cơng trình sẽ tạo ra môi trường sạch và
chất lượng cuộc sống được nâng cao ngồi ra, cơng 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 mơ 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
Người hướng dẫn

11

năm


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 cơng 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. Cơng 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 cơng nghệ; q trình này trái ngược với cơng 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 “Cơng nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo
nên mơ hình 3D, thường là chồng từng lớp ngun 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 cơng 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 cơng 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 cơng 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 khơng, vũ trụ, quốc phịng 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 cơng
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. Ngồi ra cơng nghệ in 3D cũng có thể in ra các mơ
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 tồn xây dựng và giảm
các tác động đến mơi trường thì cơng 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 cơng 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 cơng nghệ cịn 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 khn 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
q 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 khơng 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 phịng thí nghiệm, tính ứng dụng thực tế cho ngành xây dưng khơng 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 cơng tác tốt, đóng rắn tốt khi thi cơng chế tạo.
Sản phẩm vữa được tạo ra đạt các yêu cầu về tính cơng tác, độ ổn định hình dáng.
Cơng 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 cơng 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, khơng bị thay đổi hình dạng, khơng 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 ngồi 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 cơng 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 cơng bằng máy móc, hạn chế được nhân cơng
thi cơng. Ngồi ra, việc ứng dụng cơng nghệ in 3D vào chế tạo các sản phẩm đúc sẵn cịn góp
phần đa dạng hóa các cơng 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
cơng 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 ngun liệu cho cơng 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 cơng nghệ in 3D, thời gian xây dựng sẽ được rút ngắn (yếu tố
thời gian) thơng qua hoạt động máy móc và cắt giảm chi phí nhân cơng (yếu tố nhân lực)
thơng qua mơ hình tự động hóa. Khơng 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 khn (yếu tố kỹ thuật

thi công) kể cả khi xây dựng tại hiện trường hay trong nhà máy sản xuất vữa đúc sẵn. Khi
cơng trình được kiểm sốt thơng 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: khơng 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 khơng 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 sốt được chất lượng cơng trình. Ngồi ra, chi phí cho việc
vận chuyển thấp khơng như phương pháp truyền thống với việc phải thuê hay di chuyển
nguồn nhân lực lành nghề.
Thân thiện mơi trường và an tồn 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 cơng trình sẽ tạo ra mơi
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 “Cơng nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các ngun liệu để chế tạo
nên mơ 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 cơng 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 ngun liệu có sẵn, hoặc các q 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
hồn tồn khác dựa trên cơng 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 cơng cụ đắt tiền, dụng cụ sản xuất, và cần phải có dây chuyền lắp
ráp cho các bộ phận phức tạp. Ngồi ra, các quy trình sản xuất truyền thống, chẳng hạn như
gia cơng, có thể dẫn đến 90% khối lượng nguyên vật liệu bị lãng phí. Ngược lại, in 3D là một
q 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


Hình 2.1. Cơng nghệ in 3D trong ngành cơng nghiệp chế tạo
2.1.1.2 Lợi ích của cơng nghệ in 3D
Lợi ích của công nghệ in 3D dù ở cấp độ công nghiệp, vùng miền hay cá nhân đều
mang lại rất nhiều lợi ích mà phương pháp sản xuất truyền thống khó đáp ứng được.
Quá trình in 3D cho phép tuỳ biến hàng loạt - khả năng cá nhân hoá các sản phẩm theo
nhu cầu và yêu cầu của từng cá nhân. Ngay cả trong cùng một buồng in, công nghệ in 3D có
thể sản xuất được nhiều sản phẩm cùng một lúc theo yêu cầu của người dùng mà không tốn
thêm chi phí phát sinh.
Nhờ có phát minh của cơng nghệ in 3D, sự gia tăng của các sản phẩm (được thiết kế
trong mơi trường số hố), có mức độ phức tạp mà khơng thể sản xuất theo bất kỳ hình thức

sản xuất nào khác.

20


Đối với các ứng dụng cần sản xuất một khối lượng vừa phải, công nghiệp in 3D hoặc
sản xuất phụ gia giúp loại bỏ việc sản xuất dụng cụ, do đó chi phí, thời gian và nhân cơng liên
quan đến nó cũng được cắt giảm.
Cơng nghệ in 3D cũng được xem như một cơng nghệ tiết kiệm năng lượng; có thể
mang lại hiệu quả về mặt môi trường ngay trong quy trình sản xuất, sử dụng tới 90% vật liệu
chuẩn, và do đó tạo ra ít phế thải hơn; thêm vào đó, trong suốt q trình sử dụng sản phẩm
được in bằng cơng nghệ 3D, bởi có thiết kế nhẹ hơn và khoẻ hơn mà sẽ giảm lượng khí thải
carbon so với việc sử dụng các sản phẩm được sản xuất truyền thống.
2.1.1.3 Ứng dụng của công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D đã được phát triển và sử dụng trong ứng dụng sản xuất dụng cụ và
trong một vài cơng đoạn của q trình đúc, các ứng dụng này ngày càng được sử dụng và áp
dụng trong các ngành cơng nghiệp.
Ngồi các ngun mẫu để hỗ trợ phát triển sản phẩm mới cho ngành y tế và nha khoa,
các công nghệ này cũng được sử dụng để làm khuôn mẫu cho việc đúc kim loại cho mão và
cầu răng hoặc trong việc sản xuất các dụng cụ y tế khác nhau. Công nghệ cũng đang được
phát triển để in 3D các sản phẩm da, xương, mô, dược phẩm và thậm chí các cơ quan của con
người. Tuy nhiên, những cơng nghệ này vẫn cịn mất nhiều thập niên nữa để được đưa vào
thực tế.
Ngành công nghiệp sản xuất ô tô đã và đang ứng dụng in 3D để tạo mẫu, kết hợp cải
tiến cùng quy trình sản xuất nhằm đưa ra những sản phẩm chất lượng tốt cho các bộ phận của
ô tô. Nhiều công ty ô tô hiện đang xem xét tiềm năng của công nghệ in 3D để hoàn thành các
chức năng sau bán hàng về sản xuất phụ tùng thay thế, theo yêu cầu chứ không cần thiết phải
là trữ một lượng hàng tồn kho khổng lồ.
Các mơ hình kiến trúc từ lâu đã là một ứng dụng chủ yếu của công nghệ in 3D, để tạo
ra các mơ hình mẫu chính xác về ý tưởng của kiến trúc sư. In 3D cung cấp phương pháp

21


tương đối nhanh, dễ dàng và tiết kiệm về mặt kinh tế để sản xuất mơ hình chi tiết trực tiếp từ
3D CAD, BIM hoặc các dữ liệu số khác mà kiến trúc sư sử dụng.
Vì quy trình in 3D đã được cải thiện về độ phân giải và các vật liệu linh hoạt hơn, nên
ngành công nghiệp thời trang đã sản xuất ra các sản phẩm phụ kiện in 3D bao gồm giày dép,
đầu mũ, mũ và túi đều được ứng dụng rộng rãi.
Ngồi ra cơng nghệ in 3D còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cuộc sống
như hàng khơng, vũ trụ, quốc phịng, xây dựng đến ẩm thực, đồ kim hoàn, đồ gia dụng, …
2.1.2 Công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng
Công nghệ in 3D trong xây dựng sử dụng máy in 3D để rải và xếp chồng vật liệu vữa
theo từng từng lớp một để tạo thành cấu trúc xây dựng mong muốn. In 3D tiêu tốn ít thời gian
và cơng sức hơn so với các phương pháp xây dựng truyền thống, do đó những ngơi nhà hoặc
cơng trình xây dựng hay các sản phẩm xây dựng đúc sẵn được thi công theo cơng nghệ này
có giá thành cạnh tranh nhiều hơn trên thị trường.
Hiện nay, phương pháp in 3D được sử dụng trong xây dựng với phương pháp chính là
ép đùn vữa, vữa hoặc các vật liệu khác để tạo nên sản phẩm. In 3D giúp loại bỏ nhu cầu về
khuôn đúc bằng cách rải chính xác từng lớp vữa được điều khiển bằng máy tính. Phương
pháp đùn ép là vữa hay vữa được bơm vào một ống dẫn với các đường kính khác nhau,
đường ống gắn trên giàn hoặc cánh tay robot để định vị các lớp in, một đầu gắn với máy ép
để đùn vữa, một đầu gắn với vòi in.
Vật liệu in thường là vữa cốt liệu mịn hay vữa có hàm lượng xi măng cao, với kích
thước hạt cốt liệu tối đa theo thứ tự từ 2mm đến 3mm. Hình dạng của vịi in có thể khác nhau
như dạng hình trịn, hình vng hoặc hình chữ nhật với các kích thước khác nhau tùy vào yêu
cầu thiết kế.

22

Tốc độ đùn vật liệu thường tăng tuyến tính nằm trong khoảng 50mm/s đến 500mm/s.
Hình dạng các khối in, hướng in sẽ phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế, nhưng có thể được chia
thành 3 loại ứng dụng chính như sau:
 In thành các phần độc lập hoặc để lắp ráp (Hình 4a).
 In các cấu kiện như tường và cột tại chỗ (Hình 4b, 4c).
 In thành phần cấu trúc theo cách thơng thường (Hình 4d ).
Hướng sản xuất cũng khác nhau và chủ yếu là thẳng đứng hoặc nằm ngang.

a) Sản xuất cấu kiện lắp ghép.

b) Thi công đúc mẫu tại chỗ

c) Thi công các cấu kiện chịu lực

d) Thi cơng các cấu kiện chịu lực

Hình 2.2. Ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng

23


2.1.2.1 In nhà 3D trong xây dựng
In 3D trong xây dựng có 2 cách hoạt động là in cả một căn nhà thành một khối và in
từng bộ phận sau đó lắp ráp. Đây là một phương pháp in khá phức tạp vì để in được một ngơi
nhà lớn thì cần phải có một máy in bao quát được cả ngơi nhà đó. Và thực tế đã có những
máy in cao tới 6 mét và dài gần 40 mét được lắp đặt và xây dựng thành công. Việc in nguyên
căn nhà kiểu này khá phức tạp về giai đoạn lắp đặt máy in nhưng bù lại ngôi nhà sẽ rất chắc
chắn vì là một khối hồn chỉnh, khơng cần mối ghép, lại đỡ tốn nhân sự lắp ráp sau này.
Trên thực tế, công nghệ in 3D trong xây dựng đã và đang được nghiên cứu áp dụng
bước đầu tại nhiều nước, điển hình là ngơi nhà 60 mét vng in 3D giá 4.000 USD ở Mỹ năm

2018; đây là một cách thức để giải quyết nhà ở cho người có thu nhập thấp tại Mỹ. Với công
nghệ in 3D đã in ngơi nhà một tầng diện tích khoảng 60 mét vuông này bằng chất liệu xi
măng chỉ trong 12 đến 24 tiếng.

Hình 2.3. Ngơi nhà in 3D dành cho nhóm người thu nhập thấp tại Mỹ năm 2018
24