Nhựa nhiệt dẻo in 3D – Đột phá trong kiến trúc bền vững

Công nghệ in 3D với nhựa nhiệt dẻo đang mở ra một kỷ nguyên mới cho kiến trúc, kết hợp thiết kế sáng tạo, tính bền vững và hiệu quả kinh tế. Các sinh viên từ Trường Kiến trúc Bartlett, Đại học UCL (London, Anh), đã phát triển hệ thống Metaplas – một giải pháp đa vật liệu in 3D sử dụng nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học và tái chế, với khả năng kiểm soát ánh sáng thụ động và ứng dụng tiềm năng trong các công trình quy mô lớn như mái nhà ga Euston ở London.

Hệ thống Metaplas

Metaplas ra đời từ nghiên cứu của Cụm Nghiên cứu 8 (RC8) trong chương trình Thạc sĩ Thiết kế Kiến trúc tại Bartlett. Hệ thống này sử dụng hai loại nhựa nhiệt dẻo tái chế: PLA cứng (axit polylactic) và TPU (polyurethane nhiệt dẻo), được tối ưu để tạo ra các tấm vật liệu gấp đa năng. Các tấm này được in 3D ở trạng thái phẳng, sau đó chuyển thành hình dạng ba chiều phức tạp thông qua hệ thống gấp hình học tích hợp.

Quá trình gấp được thiết kế thông minh, với các phân tích cấu trúc trước khi uốn để đảm bảo độ bền. Những khu vực cần độ cứng cao sẽ có nhiều nếp gấp hơn, trong khi các vùng ít yêu cầu về cấu trúc sẽ tối giản hóa gấp nếp. Tấm vật liệu được cố định bằng hệ thống cáp và khóa kẹp, giúp dễ dàng lắp ráp, tháo rời và bảo trì, phù hợp với các tiêu chuẩn kiến trúc hiện đại về tính linh hoạt và tái sử dụng.

Điểm độc đáo của Metaplas là tích hợp nhựa nhiệt dẻo thermochromic – loại vật liệu có khả năng thay đổi màu sắc theo nhiệt độ. Nhờ vi mẫu nhúng trong mỗi tấm, hệ thống có thể kiểm soát ánh sáng thụ động, điều chỉnh độ sáng và nhiệt độ trong không gian nội thất, mang lại sự thoải mái về môi trường và tạo cảm giác định hướng cho người dùng. Ứng dụng này không chỉ nâng cao tính thẩm mỹ mà còn giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, phù hợp với xu hướng kiến trúc xanh.

Ứng dựng quy mô lớn: Mái nhà ga Euston

Metaplas được mô phỏng ứng dụng cho mái nhà ga Euston – một công trình kiến trúc mang tính biểu tượng tại London. Hệ thống này cho phép tạo ra các cấu trúc phức tạp với khả năng kiểm soát ánh sáng và nhiệt độ, cải thiện trải nghiệm không gian cho hành khách. Các tấm vật liệu không chỉ đáp ứng yêu cầu về cấu trúc mà còn mang lại tính thẩm mỹ cao, với các nếp gấp hình học tạo hiệu ứng thị giác ấn tượng.

Để tối ưu hóa tính bền vững, nhóm nghiên cứu đã lập bản đồ các cơ sở tái chế và in 3D trong bán kính gần nhà ga Euston. Việc sử dụng nguồn lực địa phương không chỉ giảm thiểu khí thải từ vận chuyển mà còn thúc đẩy nền kinh tế khu vực, tạo ra một mô hình sản xuất khép kín và thân thiện với môi trường.

Lợi ích đa chiều: Môi trường, công nghệ và kinh tế

Hệ thống Metaplas mang lại nhiều lợi ích vượt trội:

• Tính bền vững: Sử dụng nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học và tái chế, giảm thiểu tác động môi trường so với vật liệu xây dựng truyền thống.
• Hiệu quả công nghệ: Tích hợp thiết kế số hóa, phân tích cấu trúc và in 3D giúp thống nhất các giai đoạn từ ý tưởng đến thi công, khắc phục hạn chế của các phương pháp xây dựng đương đại.
• Lợi ích kinh tế: Sản xuất tại chỗ và tái sử dụng vật liệu giúp giảm chi phí, đồng thời kích thích kinh tế địa phương thông qua các cơ sở tái chế và in 3D.
• Tính linh hoạt: Hệ thống gấp và khóa kẹp cho phép dễ dàng điều chỉnh, bảo trì và tái sử dụng, phù hợp với các công trình từ quy mô nhỏ đến lớn.

Metaplas chứng minh rằng sức mạnh và độ linh hoạt của cấu trúc không phụ thuộc vào kích thước. Từ các vi mẫu kiểm soát ánh sáng đến các tấm vật liệu quy mô lớn, hệ thống này hoạt động hiệu quả ở cả cấp độ vi mô và vĩ mô, mở ra tiềm năng ứng dụng trong nhiều loại hình kiến trúc. Bằng cách tận dụng nhựa nhiệt dẻo in 3D, nhóm sinh viên Bartlett đã đặt nền móng cho một mô hình kiến trúc toàn diện, nơi thiết kế, cấu trúc và chế tạo được thống nhất thông qua các công cụ số hóa.

Trong bối cảnh thế giới đang đối mặt với các thách thức về biến đổi khí hậu và đô thị hóa, những đổi mới như Metaplas mang lại hy vọng cho một tương lai kiến trúc xanh hơn, hiệu quả hơn và gần gũi hơn với cộng đồng. Với tiềm năng ứng dụng rộng rãi, từ nhà ga đô thị đến các công trình công cộng, công nghệ nhựa nhiệt dẻo in 3D hứa hẹn sẽ định hình lại cách chúng ta xây dựng và tương tác với không gian.