Công nghệ In 3D: Hứa hẹn thay đổi ngành kiến trúc

Các loại vật liệu mới hiếm khi nào xuất hiện trong kiến trúc. Hàng thế kỷ nay, gỗ, gạch đá và bê tông đã hình thành nền tảng cho hầu hết các công trình trên Trái đất.

Vào những năm 1880, kiến trúc của chúng ta đã thay đổi mãi mãi khi khung thép được đưa vào sử dụng. Thép cho phép kiến trúc sư thiết kế ra những tòa nhà cao hơn, với cửa sổ rộng hơn, dựng nên những tòa nhà chọc trời trên khắp các thành phố vòng quanh thế giới ngày nay.

Song tình trạng này có thể sẽ sớm thay đổi nhờ những tiến bộ của Sản xuất đắp dần vật liệu trên quy mô lớn. Kể từ khi sử dụng khung thép tới giờ, chưa có sự phát triển nào có nhiều tiềm năng thay đổi cái cách tòa nhà được hình thành và xây dựng tới vậy.

Sản xuất đắp dần trên quy mô lớn, giống như in 3D vậy, là công nghệ sẽ xây dựng vật thể bằng từng lớp một chồng lên nhau. Bất kể đó là đất sét, bê tông hay nhựa, vật liệu in sẽ được ép đùn ở trạng thái lỏng và sẽ trở nên cứng lại khi được phun ra thành hình dạng cuối.

Những nguyên mẫu đầy hứa hẹn

Một ví dụ tiêu biểu của việc áp dụng công nghệ tân tiến này cho xây dựng là Đình nghỉ chân Hoa duyên linh, một cấu trúc ngoài trời được in từ polymer ABS tái chế, một loại nhựa phổ biến được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm tiêu dùng.

Các bề mặt cong, mỏng của cấu trúc này lấy cảm hứng từ những cánh hoa cùng tên. Dự án này do các sinh viên thiết kế, phụ trách thực hiện là Công ty Loci Robotics và được xây dựng tại Công viên Nghiên cứu của Đại học Tennessee tại Trang trại Cherokee ở Knoxville.

Một ví dụ khác mới đây là Tecla, một ngôi nhà rộng 41,8 m2 do Mario Cucinella Architects thiết kế và in ở Massa Lombarda, một thị trấn nhỏ ở Ý. Các kiến trúc sư đã dùng đất sét lấy từ một con sông ở vùng này để in ngôi nhà Tecla. Đây là một sự kết hợp độc đáo giữa vật liệu rẻ tiền và cấu trúc hình học tỏa tròn đã tạo ra một lựa chọn nhà ở tiết kiệm năng lượng.

Tại Hoa Kỳ, Công ty Kiến trúc Lake Flato đã hợp tác với Công ty Công nghệ xây dựng ICON và in các bức tường bên ngoài bằng bê tông cho một ngôi nhà có tên là “House Zero” ở Austin, Texas. Ngôi nhà rộng 185,8 m2 này được xây lên nhanh chóng và hiệu quả nhờ in 3D.

Quá trình dự tính

Sản xuất bồi đắp vật liệu trên quy mô lớn bao gồm ba lĩnh vực tri thức: thiết kế số, chế tạo bằng kỹ thuật số và khoa học vật liệu.

Khởi đầu, kiến trúc sư tạo ra các mô hình máy tính về mọi thành phần sẽ được in. Sau đó, những nhà thiết kế này có thể sử dụng phần mềm để kiểm tra xem các thành phần sẽ phản hồi thế nào với lực kết cấu và điều chỉnh thành phần theo đó. Các công cụ này cũng có thể giúp nhà thiết kế tìm ra cách làm sao để giảm trọng lượng của thành phần và tự động hóa một số quá trình thiết kế nhất định, chẳng hạn như làm mịn các giao điểm hình học phức tạp, trước khi quá trình in diễn ra.

Tiếp theo, phần mềm cắt lát mô hình 3D sẽ chuyển mô hình máy tính thành một bộ lệnh điều khiển cho máy in 3D. Chắc hẳn nhiều bạn cho rằng các máy in 3D chỉ làm ra những đồ vật có tỷ lệ tương đối nhỏ - chẳng hạn như ốp điện thoại và giá để bàn chải.

Song, những bước tiến trong công nghệ in 3D đã cho phép phần cứng máy móc để thực hiện trở nên lớn hơn hẳn. Đôi khi quá trình in được tiến hành thông qua hệ thống dựa trên giàn cần cẩu - một giàn khung hình chữ nhật gồm các đường ray trượt tương tự như máy in 3D. Cánh tay robot ngày càng được đưa vào sử dụng nhờ khả năng in theo bất kỳ hướng nào.

Nơi tiến hành in cũng có thể khác nhau. Những món đồ nội thất và các thành phần nhỏ hơn có thể in trong nhà máy, còn toàn bộ ngôi nhà phải được in tại chỗ đã định. Và việc sản xuất này có thể sử dụng một loạt những vật liệt khác nhau. Bê tông là một lựa chọn phổ biến do nó quen thuộc và có độ bền. Đất sét là một vật liệu thay thế thú vị bởi vì ta có thể thu thập nó tại nơi in – các nhà thiết kế ra ngôi nhà Tecla đã làm như thế đấy.

Nhưng thứ có ứng dụng rộng rãi nhất có thể là nhựa và polymer. Những vật liệu này cực kỳ linh hoạt, ta có thể chế tạo chúng theo nhiều cách phù hợp với các yêu cầu về cấu trúc và thẩm mỹ cụ thể. Chúng cũng có thể sản xuất ra từ các vật liệu tái chế hoặc có nguồn gốc hữu cơ.

Cảm hứng từ thiên nhiên

Bởi vì sản xuất bồi đắp vật liệu xây từng lớp một, chỉ sử dụng vật liệu và năng lượng cần thiết để tạo ra thành phần cụ thể, nên nó là một quá trình hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp tinh giảm, một quá trình bỏ đi phần vật liệu thừa – chẳng hạn như phay một thanh gỗ từ một cái cây.

Ngay cả các vật liệu thông thường như bê tông và nhựa cũng được lợi nhờ in 3D, vì giờ không còn cần cốp pha hay khuôn nữa.

Ngày nay, hầu hết vật liệu xây dựng được sản xuất hàng loạt trên dây chuyền để làm ra các bộ phận giống nhau. Đúng là nhờ thế giá thành trở nên rẻ thật, song nó cũng không có chỗ để ta tùy chỉnh theo ý mình.

Trong khi đó, chẳng cần công cụ hay khuôn, sản xuất bồi đắp vật liệu cho phép mỗi bộ phận làm ra đều độc đáo, không mất thêm thời gian để điều chỉnh lại.

Một đặc điểm thú vị khác của việc này là khả năng làm ra những thành phần phức tạp mà rỗng ruột. Một ngày nào đó, đặc điểm này sẽ cho phép chúng ta in ra những bức tường ở nơi đã lắp đặt sẵn ống dẫn hay hệ thống đường dẫn.

Hiện nay, các nhà khoa học đang tiến hành nghiên cứu để khám phá ra những khả năng của in 3D đa vật liệu, một kỹ thuật cho phép tích hợp hoàn toàn cửa sổ, vật liệu cách nhiệt, gia cố kết cấu, thậm chí cả hệ thống dây điện, vào một thành phần in duy nhất.

Một khía cạnh thú vị nhất khi dùng sản xuất bồi đắp vật liệu là nó xây từng lớp một với vật liệu cứng lại dần, phản ánh quá trình tự nhiên như sự hình thành vỏ sò. Điều này mở ra cơ hội cho các nhà thiết kế thực hiện những hình học vốn khó làm ra khi sử dụng phương pháp xây dựng khác, song lại thường thấy trong tự nhiên.

Khung cấu trúc lấy cảm hứng từ cấu trúc xương của loài chim có thể tạo ra mạng lưới ống nhẹ với các kích cỡ khác nhau, tùy theo lực mà chúng chịu tải. Mặt ngoài tòa nhà có hình dạng lá cây có thể được thiết kế để vừa tạo bóng mát vừa sản xuất năng lượng mặt trời.

Khắc phục trở ngại

Tuy sản xuất bồi đắp vật liệu trên quy mô lớn có nhiều khía cạnh tích cực, song hiện nay cũng tồn tại một số chướng ngại khiến nó chưa thể áp dụng rộng rãi hơn.

Có lẽ trở ngại lớn nhất cần vượt qua là nó quá tân tiến. Ngành xây dựng vẫn quen kiến thiết công trình bằng các vật liệu truyền thống như thép, bê tông và gỗ, bao gồm chuỗi cung ứng và quy chuẩn xây dựng. Ngoài ra, chi phí cho phần cứng máy móc để chế tạo bằng kỹ thuật số khá cao, và các kỹ năng thiết kế cụ thể cần thiết để làm việc với những vật liệu mới này vẫn chưa được giảng dạy phổ biến.

Song, ta có thể tin tưởng rằng một ngày nào đó, các công trình được dựng lên bằng công nghệ in 3D sẽ trở nên phổ biến.