In 3D vốn không còn là một công nghệ mới, nhưng vẫn còn nhiều tiềm năng mà các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế. Các nhà khoa học đã và đang thử nghiệm các loại vật liệu theo những hướng khác nhau: nghiên cứu về các loại vật liệu mới theo xu hướng vật liệu bền vững hoặc tìm cách cải tiến các vật liệu truyền thống để đáp ứng nhu cầu thực tiễn. Dù là theo cách nào thì việc nghiên cứu về vật liệu chỉ là bước khởi đầu. Các nhà khoa học đang hướng tới việc tạo ra các đồ vật mà trước đây không thể in 3D được và với quy mô lớn hơn là việc tạo ra các công trình với cấu trúc mới – bao gồm cả các công trình trên Sao Hỏa.
Các loại vật liệu mới
Giấy tái chế
Dù công nghệ in 3D vẫn bùng nổ trong vài năm qua với những cột mốc đạt được về các loại vật liệu mới, mối quan ngại về các loại vật liệu bền vững vẫn còn hiện hữu. Công nghệ in 3D giúp giảm thiểu các loại chất thải từ quá trình sản xuất truyền thống cũng như gia tăng hiệu suất lao động, nhưng bản thân chất liệu sử dụng cho quá trình in 3D vẫn còn là nhựa. Nhà thiết kế Beer Holthuis đã phát minh ra máy in Paper Pulp – máy in 3D đầu tiên trên thế giới sử dụng bột giấy làm vật liệu in, thay vì các vật liệu có nguồn gốc từ nhựa. Không giống như các loại giấy thường thấy, bột giấy sau quá trình in 3D sẽ trở nên cứng cáp và trong suốt. Với một lượng lớn giấy bị bỏ đi mỗi ngày, có thể nói bột giấy là loại vật liệu luôn có sẵn. Kết hợp với một chất phụ gia tự nhiên, hệ thống sản xuất khép kín này cho phép sản phẩm có thể được tái chế liên tục.
Thép
Các nhà thiết kế tại Hà Lan đã ứng dụng máy in 3D để sử dụng các loại vật liệu truyền thống theo cách mới. Cây cầu được in 3D từ chất liệu thép không gỉ đầu tiên trên thế giới đã được giới thiệu bởi công ty robot MX3D tại Tuần lễ Thiết kế Hà Lan vào tháng 10 năm 2018. Cây cầu được xây dựng bởi một robot với cách tay 6 trục, từ bước tạo ra các lớp thép nóng chảy tới giai đoạn hoàn thiện – như một trong những ví dụ tiêu biểu cho tiềm năng của công nghệ in 3D đa trục. Cây cầu cũng bao gồm các cảm biến thông minh để ghi lại dữ liệu của cầu khi đưa vào sử dụng như độ biến dạng, tải trọng, sự rung lắc và độ xê dịch vị trí. Cầu dự kiến được lắp đặt bắc qua một trong những kênh đào lâu đời nhất của Amsterdam vào giữa năm 2019.
Gốm sứ
Trong một công trình với sự hợp tác giữa các ngành kiến trúc, vật liệu gốm và khoa học máy tính, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Lowa đã phát triển công nghệ in 3D các sản phẩm từ gốm nhờ một máy in 3D chuyên dụng. Vào năm ngoái, một máy in bề mặt gốm 3D được giới thiệu có khả năng tích hợp với hệ thống quản lí kỹ thuật công trình để kiểm soát ánh sáng, nhiệt độ, hệ thống thoát khí, trong khi vẫn giúp làm mát cho công trình. Các họa tiết trên bề mặt gốm tạo ra các lỗ siêu nhỏ có khả năng làm mát bầu không khí trong công trình nhờ vào các luồng khí được lưu thông. Dự án đã hoàn thiện một phiên bản thử nghiệm với kích thước thật, được lắp ghép từ 140 mảnh gốm riêng biệt.
Thực phẩm
Công nghệ in 3D cũng giúp nghiên cứu thêm về lĩnh vực ẩm thực. Công ty Universal Favourite đã phát triển một khuôn được in 3D nhằm phát triển dòng sản phẩm socola bổ sung. Socola tan chảy sẽ dễ dàng kết hợp với gia vị bổ sung để tạo ra sản phẩm cuối cùng. Một số công ty như Choc Edge còn tạo ra máy in 3D có khả năng tạo ra socola với các thiết kế và hình dạng phức tạp.
Các quy trình mới
Thủy tinh
Một số người cho rằng việc in 3D một loại vật liệu như thủy tinh là điều nguy hiểm cũng như ẩn chứa nhiều thách thức. Phương pháp thường dùng để sản xuất thủy tinh là nung nóng chúng tới nhiệt độ khoảng 1000*C, với sản phẩm cuối cùng là sản phẩm thô và có cấu trúc cứng. Một phương pháp mới được phát triển bởi Viện Công nghệ Karlsruhe (Đức), trong đó các nhà khoa học sử dụng một máy in 3D tiêu chuẩn để tạo ra các cấu trúc thủy tinh phức tạp nhờ vào “thủy tinh lỏng”. Các hạt nano silicat được phân tán trong dung dịch acrylic, sau đó sản phẩm sẽ được in và chiếu qua tia cực tím để hóa rắn thành một loại nhựa. Ở bước cuối cùng, sản phẩm được tiếp xúc với nhiệt độ cao để lớp nhựa bị đốt cháy và các hạt silicat hợp nhất thành những hạt thủy tinh mịn và trong suốt.
Vật liệu giả gỗ
Làm mới hình dáng bên ngoài của một loại vật liệu là một tính năng đã được thể hiện của in 3D, nhưng tái tạo lại cấu trúc chính xác của vật liệu thì lại không hề đơn giản. Các nhà khoa học tại Đại học Comlumbia đã phát triển một phương pháp quét 3D mới, cho phép mô tả lại chính xác cấu trúc bên trong và bên ngoài của một số vật liệu như gỗ. Một hộp nhạc gỗ được lấy làm mẫu để các nhà khoa học mô phỏng lại nhờ công nghệ in 3D. Hộp nhạc được cưa thành từng miếng có độ dày 27 micromet (0,27mm) nhờ vào một máy cưa được máy tính điều khiển. Hình ảnh của từng miếng gỗ sẽ được lưu lại để chuẩn bị cho quá trình in, sử dụng một code 3D và máy in polyjet. Yếu tố then chốt của quá trình in 3D hộp nhạc gỗ chính là quy trình nghiên cứu của các nhà khoa học, bởi quy trình này có thể áp dụng vào việc tạo bản sao in 3D của các đồ vật với các độ phức tạp khác nhau – điều trước đây đã cản trở việc in 3D các đồ vật này.
Loại hình/Quy mô xây dựng
Bê tông
Eindhoven (Hà Lan) vốn nổi tiếng là một thành phố hiện đại, đồng thời cũng là nơi đầu tiên trên thế giới có một dự án nhà ở thương mại được làm hoàn toàn từ bê tông in 3D. Các thành phần của ngôi nhà đầu tiên sẽ được in 3D tại Đại học Công nghệ Eindhoven, với mục tiêu là các thành phần từ ngôi nhà thứ năm trở đi, sẽ được in trực tiếp tại công trường. Sự đa dạng về hình dáng và màu sắc của công trình sẽ được máy in 3D thể hiện, qua đó giảm đi tác hại tới môi trường cũng như lượng khí thải CO2. Đó là ví dụ tiêu biểu về lợi ích mà bê tông in 3D có thể đem lại cho ngành công nghiệp xây dựng.
Doanh trại quân đội
Thủy quân lục chiến Hoa Kỳ mới đây đã hoàn thiện doanh trại bê tông in 3D đầu tiên với sự hợp tác của văn phòng kiến trúc SOM. Các cấu trúc bê tông in 3D không còn là điều quá mới mẻ, nhưng việc áp dụng vào một đơn vị quân đội lại đem tới những lợi ích không ngờ. Trong điều kiện thời tiết hiện nay với những biến đổi không ngừng thì sự linh hoạt của công trình là điều được ưu tiên hơn cả. Nếu đơn vị quân đội đó có được một máy in 3D, máy tính và bê tông có thể sử dụng trong máy in, thì họ có thể dựng lên bất cứ kết cấu bê tông nào phù hợp với từng nhu cầu riêng biệt. Trong một bài kiểm tra vào tháng 8 năm 2018, nhóm nghiên cứu đã in được doanh trại trên diện tích gần 50m2 trong 40 giờ. SOM đã thiết kế các bức tường tuân theo “thiết kế chevron” bởi vì chúng đem lại độ vững chắc gấp 2,5 lần so với các bức tường bê tông truyền thống. Các doanh trại này cũng là công trình in 3D đầu tiên được chấp thuận cho mục đích dân sự tại Hoa Kì theo tiêu chuẩn Mã Xây dựng Quốc tế (IBC – International Building Code) và trong tương lai tới năm 2021, Thủy quân lục chiến Hoa Kỳ dự kiến sẽ triển khai các máy in 3D nguyên khối đầu tiên.
Đất
Công ty WASP đến từ Ý đã tạo ra ngôi nhà in 3D từ các vật liệu tự nhiên và các phế phẩm phát sinh từ quá trình sản xuất gạo, được đặt tên là Gaia. Với thiết kế để trở thành ngôi nhà mẫu thân thiện với môi trường, Gaia được hoàn thiện nhờ máy in 3D cỡ lớn Cane WASP. Bức tường với thiết kế gợn sóng giúp đem lại không gian cho các tấm cách nhiệt làm từ trấu cũng như buồng thông gió ở ngay bên trong bức tường, giúp đem lại mức nhiệt thoải mái cho không gian trong nhà trong mọi điều kiện thời tiết. Ngoài một vài thành phần từ gỗ cho các cửa sổ và mái nhà, ngôi nhà gần như không có một tác động nào tới môi trường và mất khoảng 100 tiếng để hoàn thành việc xây dựng.
Sao Hỏa
NASA đang nghiên cứu về tiềm năng của công nghệ in 3D nhằm phát triển các mẫu thiết kế cho các công trình phục vụ quá trình định cư trên Sao Hỏa trong tương lai. Công ty AI SpaceFactory đã giới thiệu Dự án MARSHA (Mars Habitat) ứng dụng công nghệ in 3D trong một cuộc thi về thiết kế. Công trình có thể trở thành chỗ ở cho 4 phi hành gia và được xây dựng trực tiếp trên Sao Hỏa, với vật liệu lấy trực tiếp từ bề mặt hành tinh Đỏ. Nguyên liệu của quá trình in 3D là hỗn hợp giữa sợi bazan (từ bề mặt Sao Hỏa) và nhựa sinh học (chiết xuất từ các cây trồng trên sao Hỏa), nhờ đó giảm đi sự phụ thuộc vào việc vận chuyển vật liệu từ Trái Đất. Thiết kế của AI SpaceFactory có dạng hình trụ, giúp cho việc in 3D công trình trở nên dễ dàng hơn. Dự án MARSHA đang bước vào quá trình dựng lên mô hình mẫu với tỉ lệ 1:3 nhằm đáp ứng các yêu cầu cao hơn của NASA.
Người biên dịch: Bùi Duy Anh
