Ứng dụng in 3D để sản xuất gạch thủy tinh cho xây dựng

Liệu những vật liệu xây dựng có thể dễ ghép hoặc tách rời như những miếng LEGO? Khi đó, những công trình có thể tháo rời khi kết thúc vòng đời và lắp ráp lại thành một cấu trúc mới.

Đó chính là xuất phát điểm của ý tưởng về công trình tuần hoàn, tái sử dụng vật liệu xây dựng, giảm sản xuất vật liệu mới và giảm phát thải khí nhà kính trong suốt quá trình xây dựng một tòa nhà, từ sản xuất cho đến phá dỡ. 

Các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đang phát triển một loại gạch làm từ thủy tinh tái chế in 3D có thể tái sử dụng. Bằng cách ứng dụng công nghệ in thủy tinh 3D tùy chỉnh của Evenline, công ty spinoff từ MIT, nhóm nghiên cứu đã tạo ra những viên gạch thủy tinh chắc chắn, nhiều lớp, mỗi viên có hình số 8, được thiết kế để lồng vào nhau, giống như những viên gạch LEGO.

Theo kết quả thử nghiệm, một viên gạch thủy tinh đơn chịu được áp lực tương tự như khối bê tông. Các nhà nghiên cứu đã xây dựng một bức tường bằng gạch thủy tinh lồng vào nhau. Họ cho biết công trình xây bằng gạch thủy tinh in 3D này có thể được tái sử dụng nhiều lần. 

Kaitlyn Becker, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT cho biết: “Thủy tinh là vật liệu có khả năng tái chế cao. Chúng tôi đưa vật liệu này vào công trình xây dựng, khi kết thúc vòng đời, có thể tháo rời và lắp ráp lại thành cấu trúc mới hoặc có thể đưa lại vào máy in 3D để tạo thành một hình dạng hoàn toàn khác, hướng tới vật liệu xây dựng tuần hoàn, bền vững.”

Cảm hứng cho thiết kế gạch thủy tinh hình tròn xuất phát từ Phòng thí nghiệm Thủy tinh của MIT, nơi Becker và Stern lần đầu tiên học về nghệ thuật và khoa học thổi thủy tinh.

“Tôi thấy vật liệu này thật hấp dẫn” – Stern cho biết. “Tôi bắt đầu nghĩ làm thế nào ngành in 3D thủy tinh có thể tìm được vị trí của mình và làm được những điều thú vị, và lĩnh vực xây dựng là một con đường khả thi.”

Trong khi đó, Becker dưới cương vị giảng viên tại MIT, bắt đầu tìm cách phát triển các quy trình mới để tạo ra những thiết kế sáng tạo.

Becker nói: “Tôi rất hứng thú với việc mở rộng không gian thiết kế và sản xuất các vật liệu với các đặc tính thú vị, như thủy tinh và các đặc tính quang học và khả năng tái chế của nó”.

Cô và Stern đã hợp tác để tìm hiểu liệu có thể chế tạo thủy tinh in 3D thành một khối xây có cấu trúc chắc chắn và có thể xếp chồng lên nhau như gạch truyền thống hay không. Nhóm đã sử dụng Máy in thủy tinh 3D 3 (G3DP3), phiên bản mới nhất của máy in thủy tinh Evenline, kết hợp với một lò nung để nấu chảy chai thủy tinh nghiền thành dạng nóng chảy, có thể dùng làm vật liệu in 3D. Sau đó, máy in sẽ tạo thành các mẫu xếp chồng.

Nhóm nghiên cứu đã in nguyên mẫu gạch thủy tinh bằng thủy tinh soda-vôi (loại thủy tinh phổ biến nhất và thường được sử dụng cho các sản phẩm hàng ngày). Mỗi viên gạch có hai chốt tròn, tương tự như đinh tán trên viên gạch LEGO, giúp các viên gạch lồng vào nhau và lắp ráp thành các cấu trúc lớn hơn. Một vật liệu khác được đặt giữa các viên gạch ngăn ngừa trầy xước hoặc nứt giữa các bề mặt kính. Nhóm nghiên cứu quyết định thiết kế các viên gạch hình số tám.

“Với thiết kế hình số 8, chúng ta có thể xây dựng những bức tường có độ cong nhất định” Massimino giải thích. 

Nhóm đã in gạch thủy tinh và kiểm tra độ bền cơ học bằng máy ép thủy lực công nghiệp. Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng những viên gạch chắc chắn nhất có thể chịu được áp lực tương đương với những khối bê tông. Những viên gạch này chủ yếu được làm từ thủy tinh in 3D, với tính năng lồng vào nhau được sản xuất riêng biệt gắn dưới đáy viên gạch. Những kết quả này cho thấy gạch xây dựng có thể được làm từ thủy tinh in 3D, với phần chốt lồng vào nhau được in, đúc hoặc sản xuất riêng từ một vật liệu khác. Để chứng minh tiềm năng của gạch thủy tinh, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một bức tường cong bằng gạch thủy tinh lồng vào nhau. Trong thời gian tới, họ đặt mục tiêu xây dựng cấu trúc thủy tinh tự chịu lực ngày càng lớn hơn.□

Diễm Quỳnh lược dịch

Nguồn: https://news.mit.edu/2024/engineers-3d-print-sturdy-glass-bricks-building-structures-0920