Các bạn tò mò về in 3D. Một trong những ngành công nghệ sản xuất hiện đại nhất hiện nay: Công nghệ in 3D. Vậy:
- In 3D là gì?
- Công nghệ in ra đời khi nào?
- Máy in 3D hình dáng như thế nào?
- Hoạt động như thế nào?
Chúng ta sẽ cùng giải đáp những câu hỏi này nhé!
Công nghệ in 3D rất đơn giản
Chúng ta đã biết gia công cắt gọt, một dạng công nghệ sản xuất truyền thống ( sử dụng máy cắt CNC, máy tiện, bào, phay…) tạo ra sản phẩm bằng cách loại bỏ đi những phần thừa từ phôi gốc (“sản xuất trừ (-)”). Còn in 3D thì ngược lại, được gọi là “sản xuất cộng (+)” (3D – 3 directions (3 chiều)). Đây là quá trình tạo ra các vật thể từ mô hình 3 chiều vẽ trên các chương trình đồ họa (mô hình số 3 chiều). Có thể hiểu đơn giản sản xuất cộng làm việc dựa theo nguyên tắc xếp các lớp (layer) chồng lên nhau, từ dưới lên trên, để tạo ra vật thể 3 chiều hoàn chỉnh.
Công nghệ in 3D được sử dụng để tạo mẫu và sản xuất trong rất nhiều lĩnh vực: kiến trúc, xây dựng, thiết kế, chế tạo ô tô, hàng không vũ trụ, quân sự, kỹ thuật, y tế, công nghệ sinh học, sản xuất quần áo và giày dép, trang sức, thiết bị giáo dục, công nghiệp thực phẩm,…
Máy in 3D
Là các máy công cụ có cài đặt chương trình điều khiển để tạo ra các chi tiết bằng phương pháp xếp chồng lớp lên lớp (layer-by-layer). Mặc dù công nghệ đã xuất hiện từ những năm 80 của thế kỷ trước, nhưng máy in 3D chỉ được ứng dụng rộng rãi từ những năm 2010 trở đi.
Chiếc máy in 3D đầu tiên được tạo ra bởi Charles W. Hull, ông đồng thời cũng là nhà đồng sáng lập tập đoàn 3D Systems – tập đoàn đi tiên phong hàng đầu về công nghệ in 3D hiện nay. Sự phổ biến rộng rãi máy in 3D đã làm giảm giá thành bản thân máy in, vật liệu in và thành phẩm đi rất nhiều lần. Hiện nay, đã có nhiều loại máy chỉ có giá 100-200$, giảm 10-100 lần so với trước đây.
Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng các máy in 3D mini (đặt tại nhà) với mã nguồn mở sẽ cho phép chúng ta tiết kiệm được rất nhiều chi phí cho việc mua hàng, đặc biệt là đồ gia dụng (vì đều có thể “in ra” để dùng).
Mô hình số 3D
Là mô hình số 3 chiều được tạo “thủ công” từ các chương trình thiết kế đồ họa trên máy tính hoặc “tự động” từ các máy scan 3D để sao chép từ vật thể có sẵn. Việc tạo ra mô hình 3 chiều thủ công rất giống với môn nghệ thuật điêu khắc mà chúng ta đã biết, về bản chất là chúng ta chuẩn bị các dữ liệu về hình dạng kích thước của vật thể thật để tạo ra mô hình số 3 chiều. Các chương trình thiết kế đồ họa hay được dùng là: SolidWork, Catia, Autodesk,…
Scan 3D
Một phương pháp khác rất mới, rất hay và hoàn toàn tự động là sử dụng các máy scan 3D. Về bản chất, đây là phương pháp tự động thu thập và phân tích dữ liệu của vật thể, bao gồm hình dạng, kích thước, màu sắc và các đặc trưng, và biến đổi các dữ liệu này thành mô hình số 3 chiều. Các máy scan hiện nay thường cho phép xuất ra các file đám mây điểm (point cloud) và có thể mở được trong các chương trình đồ họa khác nhau. Chúng tôi sẽ có một bài viết riêng về máy scan 3D trong series này.
Ông bà ta có câu, thằng lười mới là thằng thông minh nhất. Đúng vậy, việc tạo ra mô hình in 3D dù là thủ công hay tự động đều có những khó khăn nhất định đối với người dùng trung gian. Do đó, để giảm bớt khó khăn này, người ta phát triển các nền tảng dữ liệu chia sẻ các ví dụ và mô hình in 3D tương thích và có thể sử dụng được ngay trên các máy in 3D thông thường. Một số nhà cung cấp các mô hình này, rất nổi tiếng như: Shapeways, Thingiverse và Threeding.
Đặc điểm của máy in 3D
Trong thời gian làm việc máy in sẽ đọc file (thường có đuôi STL) chứa dữ liệu về mô hình số 3 chiều, và xếp lần lượt các lớp vật liệu có thể ở dạng lỏng, dạng bột, tờ giấy hoặc tấm phẳng, chồng lên nhau để tạo ra vật thể 3 chiều. Các lớp này tương ứng với các mặt cắt trong các mô hình CAD, chúng sẽ liên kết hoặc tan chảy vào nhau để tạo lên vật thể 3 chiều. Ưu điểm của phương pháp in 3D là có khả năng tạo ra sản phẩm mà không có bất kỳ hạn chế nào về hình dạng, kích thước cũng như độ phức tạp.
“Độ phân giải” khi in 3D
Là độ dày của lớp (theo trục Z) và độ chính xác khi định vị đầu in (vòi phun) trên mặt phẳng nằm ngang (trục X và Y). Độ phân giải được đo theo đơn vị DPI (số lượng điểm trên 1 inch) hay micromet (µm). Độ phân giải các máy in thường gặp là 100µm (250 DPI). Độ phân giải theo hai trục X và Y giống với chỉ số của các máy in lazer thông thường: đường kính hạt 50-100µm (từ 510 đến 250 DPI).
Thời gian in
Việc in ra các vật thể 3 chiều bằng các công nghệ hiện đại sẽ mất khoảng từ vài giờ đến vài ngày, tùy thuộc vào phương pháp chúng ta sử dụng, cũng như kích thước và mức độ phức tạp của sản phẩm. Công nghệ in 3D cho phép chúng ta giảm thời gian sản xuất xuống vài giờ, tuy nhiên cũng vẫn phụ thuộc vào loại máy in, và kích thước cũng như số lượng các sản phẩm in đồng thời.
So sánh về chi phí, các phương pháp sản xuất truyền thống như ép phun rẻ hơn trong sản xuất đại trà, trong khi công nghệ in 3D có lợi thế trong sản xuất quy mô nhỏ, cần tốc độ nhanh và thiết kế linh hoạt. Một điểm rất hay và thú vị là máy in 3D mini cho phép các nhà thiết kế và nhà phát triển tạo ra các mô hình và mẫu sản phẩm mà không cần rời khỏi văn phòng.
Xử lý nguội
Mặc dù độ phân giải của máy in là khá đủ cho hầu hết các dự án, nhưng các sản phẩm in vẫn cần được gia công nguội bằng các công cụ có độ chính xác cao để tăng độ chính xác cho chính các sản phẩm này. Một số máy in 3D sử dụng các phần “giá đỡ” và “phụ trợ” trong quá trình in sản phẩm. Các phần này sau khi in sẽ được loại bỏ khỏi sản phẩm.
Các công nghệ in 3D hiện nay
Từ cuối những năm 1970 của thế kỷ trước bắt đầu xuất hiện in 3D. Các máy in 3D đầu tiên thường có kích thước rất lớn, giá thành cao và có nhiều chức năng hạn chế.
Ngày nay trên thị trường có rất nhiều loại máy in 3D. Hầu hết các máy in 3D đều làm việc theo nguyên lý xếp chồng các lớp (layer-by-layer) và sử dụng các vật liệu tiêu hao. Trong đó, phải kể đến một số loại máy dùng công nghệ làm nóng chảy hoặc làm mềm vật liệu để tạo ra các lớp như: công nghệ SLS (selective laser sintering), SLM (Selective laser Melting), DMLS (Direct Metal Laser Sintering), FDM (Fused Deposition Modeling), FFF (Fused Filament Fabrication).
Một hướng khác là tạo ra các vật rắn bằng công nghệ polymer hóa vật liệu lỏng: công nghệ SLA (Stereolithography). Ngoài ra có thể sử dụng các công nghệ dán, ghép tấm phẳng: công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing), trong đó, các tấm phẳng được cắt thành các hình dạng cần thiết và dán ghép lại với nhau thành vật thể. Mỗi một công nghệ in 3D đều có những ưu khuyết điểm riêng, hầu hết các công ty đều khuyên người dùng nên lựa chọn máy in theo vật liệu tiêu hao mà chúng sử dụng, cụ thể, hai loại vật liệu được đề xuất là vật liệu polymer và vật liệu dạng bột. Máy in 3D công nghệ LOM thường dùng vật liệu là giấy in văn phòng, cũng rất thuận tiện.
Tóm lại, để lựa chọn máy in 3D ta còn cần chú ý tới tốc độ in, giá thành khi in, giá trị của mẫu sản phẩm sau khi in, và cả giá thành của loại vật liệu in tương ứng. Để kết thúc bài viết, chúng tôi sẽ liệt kê các công nghệ in 3D hiện nay trong bảng 1.
Bảng 1 – Phương pháp, công nghệ, vật liệu in 3D
| Phương pháp in | Công nghệ | Vật liệu |
| Bồi đắp (Extrusion) | FDM hoặc FFF | Plastic PLA, ABS… |
| Dạng dây (sợi) | EBF | Hợp kim kim loại bất kỳ |
| Dạng bột | DMLS | Hợp kim kim loại bất kỳ |
| EBM | Hợp kim Titan | |
| SLM | Hợp kim Titan, Coban-Crom, thép không gỉ, nhôm. | |
| SHS | Plastic dạng bột | |
| SLS | Plastic, bột kim loại, bột ceramic | |
| Dạng dòng chảy | 3DP | Thạch cao, plastic, bột kim loại, hỗn hợp cát |
| Cán | LOM | Giấy, giấy bạc kim loại, màng plastic |
| Polymer hóa | SLA | Photopolymer |
| DLP | Photopolymer |
Chúng tôi là ai?
Là một nhóm các sinh viên, nghiên cứu sinh Việt Nam có cùng chung đam mê, sở thích về in 3D, đang học tập và làm việc tại phòng thí nghiệm (Lab) “Các hệ thống tự động hóa” của Trường Đại học Vật lý Kỹ thuật Matxcova. Nhóm “Việt Nam” được giao quản lý, nghiên cứu, khai thác sử dụng máy in 3D của phòng Lab, nghiên cứu quy trình in 3D từ các khâu chuẩn bị mô hình in ban đầu cho đến việc gia công, xử lý nguội và đưa sản phẩm in 3D vào ứng dụng. Nhóm gồm 06 bạn do bạn Richard làm trưởng nhóm.
Với mục tiêu đưa các công nghệ sản xuất mới tiên tiến và hiện đại về Việt Nam, phục vụ con đường công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Chúng tôi sẵn sàng nhận và trả lời bất cứ câu hỏi nào của các bạn về in 3D. Nếu như từ những năm 2012-2013 Trung Quốc đã đầu tư hơn 10.000 phòng thí nghiệm sử dụng máy in 3D vào các trường Đại học của quốc gia này, chúng tôi hy vọng, con số đó ở Việt Nam đến năm 2022 là 1000. Hãy liên hệ với chúng tôi để đặt câu hỏi về tất tần tật mọi thứ liên quan đền ngành công nghệ sáng tạo này. Thông tin liên hệ: Richard, điện thoại tại Nga: 8985-063-91-35, điện thoại & zalo tại Việt Nam: +84966-098-058.
