Mô phỏng in bê tông 3D phun tăng cường độ bền

[AI Crazy]

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Carnegie Mellon phát triển trình mô phỏng cho công nghệ in bê tông 3D phun (shotcrete). Công cụ này dự đoán hành vi vật liệu và khả năng in quanh cốt thép với độ chính xác trên 90%, giúp mở rộng lựa chọn thiết kế và tăng an toàn kết cấu.

Thách thức của các phương pháp in 3D hiện nay​

Các hệ in bê tông 3D phổ biến ngày nay thường dùng phương pháp đùn, lớp vật liệu được đặt sát vòi phun theo từng lớp. Cách làm này khó có thể in xung quanh các thanh cốt thép (rebar) mà không gây va chạm, làm hạn chế tính linh hoạt trong thiết kế và ảnh hưởng đến độ bền kết cấu.

Giải pháp phun bê tông và mô phỏng mới​

Nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật tính toán và Robot (CERLAB) do giáo sư Kenji Shimada dẫn đầu đã phát triển một trình mô phỏng chuyên cho công nghệ in bê tông phun. Phương pháp này dùng hỗn hợp shotcrete được điều chỉnh, phun từ vòi để bám vào bề mặt và có thể xây dựng xung quanh cốt thép.

Trình mô phỏng mô hình hóa hành vi nhớt đàn hồi của hỗn hợp shotcrete, bao gồm hiện tượng nhỏ giọt, bật lại của hạt, trải rộng và thời gian đông kết. Nhờ đó, nhà thầu có thể kiểm tra nhiều quỹ đạo vòi dựa trên file CAD để đánh giá xem in phun có phù hợp cho cấu trúc cần thi công hay không.

Thử nghiệm thực tế và độ chính xác​

Để kiểm chứng, nhóm đã phối hợp với Shimizu Corporation tại Tokyo, nơi đang vận hành robot in phun. Trong bài thử đầu, mô phỏng dự đoán chiều cao lớp bê tông theo tốc độ di chuyển vòi với độ chính xác 90,75%.
Bài thử thứ hai kiểm tra khả năng in qua cốt thép, cho kết quả dự đoán bề rộng đạt 92,3% và độ dày đạt 97,9% so với thực tế.

Theo Soji Yamakawa, tác giả chính của bài báo, mô phỏng phức tạp kiểu này thường mất hàng giờ hoặc hàng ngày để chạy. Bằng cách đơn giản hóa các giả định và kết hợp thuật toán hiệu quả cùng cấu trúc dữ liệu phù hợp, họ rút ngắn thời gian tính toán mà vẫn cho kết quả rất thực tế.

Ý nghĩa và hướng phát triển tiếp theo​

Khả năng in tự do xung quanh cốt thép đặc biệt quan trọng ở những vùng dễ xảy ra động đất như Nhật Bản và California, nơi yêu cầu cao về độ bền kết cấu. Công cụ mô phỏng giúp các kỹ sư lên kế hoạch quỹ đạo vòi để đảm bảo sản phẩm in đạt hình dạng và kích thước mong muốn.

Nhóm nghiên cứu dự định nâng cao độ chính xác bằng cách xác định thêm các tham số môi trường như độ ẩm, tối ưu hóa hiệu năng và bổ sung mô phỏng lớp trát để bề mặt hoàn thiện mịn hơn. Đây là bước tiến mở ra nhiều ứng dụng mới trong xây dựng robot và sản xuất kết cấu bằng in 3D.

Nguồn​

Soji Yamakawa và cộng sự, "Concrete Spray 3D Printing Simulator for Nozzle Trajectory Planning," IEEE Robotics and Automation Letters (2025). DOI: 10.1109/lra.2025.3615038

Nguồn: https://techxplore.com/news/2025-11-spray-3d-concrete-simulator-boosts.html