Amsterdam – Cầu thép đầu tiên được in bằng công nghệ in 3D

In 3D quy mô lớn và thiết kế kỹ thuật số có thể thay đổi mãi mãi hình dạng của môi trường xây dựng xung quanh chúng ta. Cây cầu thép in hình robot của Amsterdam, dự kiến được lắp đặt tại Khu đèn đỏ của thành phố, là một kiệt tác thiết kế kỹ thuật số dài 12 mét với các lan can bằng thép thô, cong thể hiện nguồn gốc công nghệ cao của nó.

Thiết kế từng đoạt giải thưởng, được phát triển bởi công ty khởi nghiệp công nghệ Hà Lan MX3D cùng với các nhà thiết kế Phòng thí nghiệm Joris Laarman và một loạt cộng tác viên, mang đến một cái nhìn thoáng qua về cách thiết kế điện toán cùng với công nghệ hàn robot tiên tiến có thể định hình các thành phố của chúng ta trong tương lai.

Hiện được in 3D hoàn toàn bằng thép không gỉ, cây cầu là đỉnh cao của một giấc mơ lâu dài kết hợp các công trình thép truyền thống và mô hình kỹ thuật số tiên tiến thành một phần cơ sở hạ tầng đô thị công cộng có cấu trúc đầy cảm hứng. Thiết kế điện toán và in 3D kết hợp với nhau để hợp lý hóa cả quy trình thiết kế và sản xuất, cho phép các nhà thiết kế khám phá sự tự do hơn về hình thức và rút ngắn thời gian giao hàng.

Với sự tham gia của Arup với tư cách là kỹ sư kết cấu chính, MX3D đã tạo ra phần mềm thông minh biến máy hàn thành robot in 3-D để sản xuất một cây cầu thép đầy đủ chức năng. Mô hình thiết kế tham số nâng cao – một công cụ dành cho các nhà thiết kế khám phá các hình dạng mới bằng cách sử dụng mã – cho phép các kỹ sư của Arup tăng tốc đáng kể quy trình thiết kế ban đầu. Phần mềm có thể tạo ra một số lần lặp lại liên tiếp nhanh chóng cho đến khi đạt được hình dạng tối ưu mang lại giải pháp tốt nhất dựa trên một tập hợp các điểm chuẩn.

Xuất phát từ thiết kế cầu hình chữ U nguyên khối, nhóm thiết kế đã thực hiện nhiều bước lặp đi lặp lại để tiến triển nhanh chóng qua nhiều giai đoạn thiết kế cho đến khi cung cấp cây cầu hình chữ S cuối cùng, hữu cơ hơn – kết hợp tính toàn vẹn của cấu trúc và chức năng mà không ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ.

Thiết kế bằng thử nghiệm: quy trình thiết kế dựa trên kỹ thuật số thử nghiệm các ranh giới mới

Vượt qua chức năng công cộng của nó như một cây cầu đi bộ qua kênh Oudezijds Achterburgwal, MX3D đóng vai trò là bằng chứng về cách các công cụ thiết kế kỹ thuật số và in 3D có thể thay đổi mãi mãi môi trường xây dựng. Là một đối tượng thiết kế cho mục đích sử dụng công cộng, Joris Laarman muốn MX3D trở thành một tác phẩm nghệ thuật mang tính cách mạng, khám phá đầy đủ quyền tự do thiết kế hợp lý mà in 3D cho phép đối với cơ sở hạ tầng quy mô lớn.

Mô hình thiết kế tham số là sự phù hợp hoàn hảo cho quy trình thiết kế đẩy ranh giới này. Nhóm đã làm việc với Grasshopper và Karamba, một công cụ dành cho các nhà thiết kế khám phá các hình dạng mới bằng thuật toán tổng quát (phần mềm thuật toán đồ họa) cho công cụ tạo mô hình 3D Rhino, để tinh chỉnh thiết kế. Chương trình hoạt động bằng cách tạo ra các lần lặp lại thiết kế liên tiếp theo một tập hợp các tham số nhất định, chuyển từ hình thức thử nghiệm ban đầu sang hình dạng tối ưu hoặc hình dạng cuối cùng. Phần mềm bổ sung có thể gán các thuộc tính vật liệu chính xác cho mô hình, cho phép thử nghiệm rộng rãi, bao gồm cả phân tích đường dẫn tải trọng, ngay cả trước khi cây cầu cuối cùng được xây dựng trên thực tế. Nhóm đã chạy các mô phỏng kỹ thuật số của cây cầu, loại bỏ vật liệu dư thừa bằng cách trộn các tính toán cấu trúc với thao tác hình học, dạy thuật toán nhận biết phần nào của cây cầu ít quan trọng hơn

Thiết kế vượt ra ngoài các vật liệu đã được mã hóa có thể thực hiện được nhờ thử nghiệm lặp đi lặp lại: Kết quả thử nghiệm vật liệu trong phòng thí nghiệm, kết quả thử nghiệm phần tử kết cấu và kết quả thử nghiệm cuối cùng toàn diện sẽ cung cấp thông tin cho các kỹ sư thiết kế. Trình tự thử nghiệm đưa vào đánh giá cấu trúc và cho phép các kỹ sư kiểm tra độ an toàn và khả năng phục vụ của cây cầu.

In 3D đến thời đại: in các đối tượng đô thị quy mô lớn

Sau khi đi đến thiết kế cuối cùng, nhóm chuyển sang giai đoạn sản xuất. Hiểu được hiệu suất của vật liệu này là một trong những bước đầu tiên của quy trình: vật liệu và tính chất cơ học của thép in 3D tự hỗ trợ này khác với thép thông thường. Để giải quyết vấn đề này, nhóm đã thực hiện một số thử nghiệm bao gồm khả năng chịu tải để đảm bảo rằng hoạt động cấu trúc của cây cầu tuân thủ các yêu cầu về an toàn theo quy định và xác nhận hiệu suất của loại thép in 3D mới này.

In 3D, còn được gọi là sản xuất phụ gia, là một phương pháp mới để sản xuất các bộ phận trực tiếp từ mô hình kỹ thuật số bằng cách xây dựng hết lớp này đến lớp khác của vật liệu. Kỹ thuật mới, có độ chính xác cao này mang đến cơ hội và sự tự do kiến trúc cho các nhà thiết kế cũng như kỹ sư, đồng thời có khả năng giảm lượng vật liệu được sử dụng và lãng phí. Việc in ấn bắt đầu vào tháng 3 năm 2017 và cây cầu hoàn thành đã được trưng bày tại Tuần lễ Thiết kế Hà Lan vào tháng 10 năm 2018.

Cho đến nay, thiết kế là một trong những nhiệm vụ khó khăn nhất của dự án cầu MX3D. Chúng tôi đã chọn làm việc với Arup vì kinh nghiệm của họ với các dự án đổi mới và thiết kế sáng tạo là rất quan trọng đối với dự án. Sự hợp tác của chúng tôi thậm chí còn trở nên mạnh mẽ hơn chúng tôi mong đợi. Giờ đây, Arup đóng vai trò quan trọng trong việc đồng phát triển phương pháp thiết kế cho in 3D kim loại của chúng tôi ”

Gijs van der Velden CEO of MX3D

Digital Twin: cảm biến dữ liệu để theo dõi hiệu suất

Cây cầu sẽ được trang bị một mạng lưới cảm biến, cho phép các đối tác thu thập dữ liệu sẽ được sử dụng để xây dựng một bộ đôi kỹ thuật số nhằm theo dõi tình trạng của cây cầu. Bản sao kỹ thuật số sẽ theo dõi hiệu suất trong các điều kiện môi trường khác nhau và dưới tải động thay đổi, bao gồm theo dõi việc sử dụng của người đi bộ, kiểm tra sự ăn mòn hoặc nghiên cứu độ lệch và lực hỗ trợ, tất cả đều sẽ cho phép phát triển hơn nữa ngôn ngữ thiết kế lấy dữ liệu làm trung tâm.

Hợp tác cộng tác: chìa khóa để đổi mới trong môi trường xây dựng

Để đưa dự án vào cuộc sống, MX3D đã thiết lập một sự hợp tác làm việc sáng tạo với một nhóm lớn các đối tác có chuyên môn trong nhiều lĩnh vực, bao gồm phần mềm, phần cứng, xây dựng và hàn. Chúng bao gồm Autodesk, ArcelorMittal, Arup, Force Technology, Imperial College London, Air Liquide, ABB Robotics, Heijmans, Lenovo và Lloyds Register Foundation.

Trong số các đối tác công có TU Delft, Viện AMS (Viện Nghiên cứu Đô thị Cao cấp Amsterdam) và Đô thị Amsterdam. Về phía tài trợ là STV, Oerlikon, FARO và Plymovent, trong khi Trung tâm Du khách được hỗ trợ bởi Quỹ VSB.

Awards

• STARTS Prize 2018, awarded by the European Commission
• Dutch Design Awards 2018