Thiết kế số cho in 3D bê tông trên những mặt phẳng không đều
Các nhà nghiên cứu Việt Nam và nước ngoài mới đây đề xuất một phương pháp để có thể in 3 D bê tông trên những mặt phẳng không đều, qua đó giúp khắc phục được những nhược điểm về chất lượng.
Kết quả được công bố trong “Digital design and parametric study of 3D concrete printing on non-planar surfaces” (Thiết kế số và nghiên cứu tham số của in 3 D bê tông trên những mặt phẳng không đều) trên tạp chí Automation in Construction.
Việc chế tạo kiểu đắp dần ở quy mô lớn với vật liệu xi măng, hay còn được gọi là in 3 D bê tông, thu hút sự quan tâm của ngành công nghiệp xây dựng khi đem lại nhiều lợi ích tiềm năng như sự tự do về hình khối lớn hơn, cần ít khuôn đúc bê tông và ít nhân lực hơn mà vẫn gia tăng năng suất. Để tối ưu quá trình in và vật liệu cho in 3D bê tông, người ta thường phải xử lý tốt được các bề mặt phẳng. Sau những nỗ lực đáng kể ban đầu, vấn đề này đã được gần như hoàn thiện với các bề mặt phẳng trong khi việc in trên những mặt phẳng không đều hay những mặt phẳng phức hợp vẫn còn nhiều thách thức, chủ yếu tập trung ở một số điểm: 1) kiểm soát chất lượng và độ bền của in 3 D khi sử dụng việc bơm và ép đùn bê tông mới trộn, có thể dẫn đến sự biến dạng bề mặt; 2) khó kiểm soát các quá trình in bởi nó bao gồm nhiều bước có thể ảnh hưởng đáng kể đến các hệ rỗng trong cấu trúc bê tông in 3 D; 3) kiểm soát in 3 D cho một cấu trúc chế tạo có nhiều thách thức vì cần tách thông tin từ các mô hình thiết kế CAD và chuyển đổi thành mã kiểm soát G-code ràng buộc được quỹ đạo của vòi phun, tốc độ in và khối lượng ép đùn.
Do đó, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu về một khung thiết kế cho in 3D cho cả mặt phẳng không đều và mặt cong, sử dụng các công cụ thiết kế tham số trong phần mềm Rhinoceros 7 Grasshopper, qua đó cho phép kiểm soát đầy đủ quá trình in bằng việc tinh chỉnh tốc độ in một cách trực tiếp, khối lượng ép đùn và độ cao của vòi phun. Để kiểm tra hiệu quả của mô hình khung này, họ đã thử nghiệm in các sản phẩm hình trụ chuẩn và sản phẩm gồm các dải gắn kết, với các bề mặt nghiêng ở góc 0°, 10°, 20° và 30°. Thêm nào đó, họ in thử nghiệm một hình trụ được in với 40 lớp trên một bề mặt gập đơn giản và hình trụ 20 lớp trên một bề mặt cong dọc. Trong sau hình trụ thì chỉ có một sản phẩm với góc nghiêng 30° bị hỏng do việc xếp sai các dải bê tông.
Do đó, họ rút ra các kết luận quan trọng: 1) khung thiết kế này có thể tạo ra các mã kiểm soát G-code cho in 3 D bê tông trên các bề mặt không đều và có năng lực tạo ra các cấu trúc đa lớp trên vô số bề mặt không đều; 2) hướng in và chuyển động của vòi in quan trọng cho quá trình này; 3) góc nghiêng càng lớn càng tạo ra nhiều biến dạng hơn trên các khối hình trụ được in. Khi khối lượng vật liệu bê tông được phân bổ không đều ở các lớp dưới cùng có thể dẫn đến việc tải trọng tập trung vào phần trên của khối hình trụ; 4) các biến dạng trên những khối hình trụ có thể do các hình dạng không đối xứng của những lớp vật liệu bên dưới. Khi vật liệu được sử dụng trong quá trình in, các lớp phía bên ngày càng trở nên đối xứng hơn và ít bị ảnh hưởng từ hình học của bề mặt so với các lớp bên dưới; 5) cần thiết kiểm soát độ cao vòi phun trong suốt quá trình in để có được sản phẩm bền bởi nó quyết định các hình học và độ bền của các dải bê tông. Các tham số in khác như tốc độ phun bê tông và tốc độ in có thể tham khảo từ những nghiên cứu in 3 D bê tông trên bề mặt phẳng; 6) Với các bề mặt nghiêng 10° và 20°, có thể dự đoán được một cách chính xác lỗi sai hỏng của các khối hình trụ dựa vào các thông số sai hỏng về độ bền đã có. Tuy nhiên, có thể dễ bỏ qua sự phân bố không đều của ứng suất và dẫn đến ước tính quá cao về độ bền. Khi góc nghiêng bề mặt vượt quá 30°, các sợi bê tông cuộn dốc xuống và dẫn đến sai hỏng của khối hình trụ chuẩn.□
