Chiêm ngưỡng cây cầu thép được in 3D đầu tiên trên thế giới, tiềm năng trong tương lai của ngành xây dựng

Sau 4 năm dài lên kế hoạch, cây cầu thép được tạo bằng công nghệ in 3D đầu tiên trên thế giới đã ra mắt tại Amsterdam vào tháng trước.

Công ty Hà Lan MX3D đã xây dựng cây cầu dài 12 m dành cho người đi bộ và đi xe đạp để băng qua kênh Oudezijds Achterburgwal của thành phố. Công ty sử dụng bốn robot với mỏ hàn phù hợp, để in 3D cấu trúc cầu này. Để làm được điều đó, các cỗ máy đã bố trí 4500 kg thép, được nung nóng đến 1500 độ C, trong một quá trình phân lớp phức tạp. Kết quả là một thiết kế đoạt giải thưởng, vượt qua ranh giới của những gì thép có thể làm. Hình dạng chữ S uốn lượn và lan can với các lỗ đục kiểu mạng lưới được thiết kế bằng phần mềm mô hình tham số.

"Một cấu trúc kim loại in 3D đủ lớn và chắc chắn để chịu lưu lượng người đi bộ là chưa từng được xây dựng trước đây", Leroy Gardner - một giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Môi trường và Dân dụng của Đại học Hoàng gia London, người đã tham gia vào công việc này - cho biết.

Vì lý do đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Hoàng gia London đã phát triển các mô phỏng máy tính phức tạp để kiểm tra cây cầu, tập trung vào khả năng của cấu trúc để chịu được lưu lượng qua lại hàng ngày và tác hại của thời tiết.

Các nhà thiết kế lần đầu tiên đưa ra ý tưởng cho cây cầu vào năm 2015, với mục tiêu tạo ra một cấu trúc đặc biệt hiệu quả. Để làm được như vậy, họ phải nhấn mạnh hai điều: đơn giản và an toàn. Để theo dõi hiệu quả thiết kế của họ, các nhà khoa học tại Đại học Hoàng gia London đã thiết kế cây cầu thành một "phòng thí nghiệm trực tiếp".

Một nhóm các kỹ sư kết cấu, nhà khoa học máy tính và nhà thống kê đã phát triển một hệ thống gồm hơn một chục cảm biến cho cây cầu, gửi dữ liệu trực tiếp đến trường đại học để phân tích thêm về hiệu suất của cây cầu. Họ theo dõi chuyển động của cây cầu, độ rung, nhiệt độ, biến dạng (sự thay đổi hình dạng và kích thước của vật liệu dưới tác dụng của lực) và chuyển vị (lượng vật thể dịch chuyển theo một hướng cụ thể) theo thời gian.

Từ dữ liệu đó, các nhà khoa học đã xây dựng một phiên bản “song sinh kỹ thuật số” cho cây cầu, đây là một cấu trúc ảo giống hệt nhau của cây cầu và trở nên chính xác hơn theo thời gian. Với công nghệ máy học, giờ đây họ có thể tìm kiếm các xu hướng để đề xuất các sửa đổi theo thứ tự.

Một trong những lợi thế của in 3D là khả năng tạo ra các hình dạng mà thông thường đòi hỏi nhiều thiết bị, thời gian và chi phí hơn trong quy trình sản xuất truyền thống. Điều này cho phép các nhà thiết kế sáng tạo hơn và tiêu tốn ít tài nguyên hơn.

Đối với cây cầu này, các nhà thiết kế đã sử dụng hai phương pháp in 3D - Direct Energy Deposit (DED) và Powder Bed Fusion (PBF). Với DED, máy in nạp vật liệu (thường ở dạng bột hoặc dạng dây) thông qua một vòi phun giống như bút và một nguồn nhiệt cường độ cao (thường là tia laser, nhưng đôi khi là chùm điện tử) làm tan chảy kim loại khi tiếp xúc.

PBF hoạt động tương tự trong đó tia laze hoặc tia điện tử làm tan chảy bột để tạo thành từng lớp. Tuy nhiên, ưu điểm chính của PBF là nó hoạt động với các bộ phận nhỏ hơn nhiều (và đắt hơn), có thể dùng trong một dự án có độ chi tiết cao hơn DED. Điều này cho phép các nhà thiết kế có tầm nhìn xa hơn.

Cây cầu đã trải qua nhiều lần thay đổi kế hoạch kể từ khi dự án được khởi động vào năm 2015, dự kiến mở cửa ban đầu vào năm 2017. Kế hoạch ban đầu là in tại chỗ cấu trúc bắc qua kênh, với các robot làm việc từ cả hai bờ để hàn cây cầu từ bên dưới cho đến khi chúng gặp nhau ở giữa.

Hiện tại, các tổ chức khác trên thế giới đang sử dụng các kỹ thuật sản xuất này. Công ty in 3D WASP của Ý sử dụng đất để in những nơi trú ẩn bền vững. Vào năm 2024, công ty khởi nghiệp XTreeE của Pháp dự kiến xây dựng một công trình in 3D dài 40 m ở Paris trước Thế vận hội Olympic. Và thành phố Dubai có kế hoạch in 3D 25% các tòa nhà vào năm 2030.

Craig Buchanan, giảng viên tại Khoa Kỹ thuật Dân dụng và Môi trường của Đại học Hoàng gia London, cho biết, "Nghiên cứu công nghệ mới này trong ngành xây dựng có tiềm năng rất lớn cho tương lai, về mặt thẩm mỹ và thiết kế tối ưu hóa và hiệu quả cao, với việc giảm sử dụng vật liệu."

Tham khảo: Popularmechanic