Công nghệ in 3D là gì? Tìm hiểu từ A – Z
Công nghệ in 3D là gì?
In 3D có tên tiếng Anh là Three Dimensional Printing. Trong tiếng Việt, công nghệ in 3D được định nghĩa là công nghệ bồi đắp vật liệu. Đây là quy trình tạo ra một vật thể ba chiều bằng cách kết hợp một chuỗi các công đoạn khác nhau.
Trong quá trình in 3D, từng lớp vật liệu được bồi đắp chồng lên nhau, dần hình thành nên chi tiết. Khi in 3D, máy tính làm nhiệm vụ định dạng để tạo ra vật thể có độ chính xác từng lớp in đến mm.
Để thực hiện công nghệ máy in 3D, người ta cần sử dụng một tệp thiết kế CAD. Khi hoàn thành thiết kế sẽ được xuất thành tập tin STL. Tệp tin sau đó được chuyển thành vô số các mặt và đỉnh của tam giác. Đồng thời tệp STL sẽ được cắt thành hàng trăm/hàng nghìn lớp 2D.
Các lớp 2D này được máy in 3D đọc và chạy in thành từng lớp chồng lên nhau, tạo nên sản phẩm hình khối 3 chiều. Dù sử dụng công nghệ in 3D nào thì mọi tệp thiết kế đều được cắt thành lớp trước khi thực hiện in.
Khi thực hiện in 3D, độ dày (kích thước) lớp in được quyết định bởi vật liệu, công nghệ, độ phân giải và cả thời gian mà người dùng mong muốn. Lớp in dày sẽ có thời gian in nhanh. Trong khi đó lớp in mỏng lại có chi tiết mịn hơn, độ phân giải tốt và thường ít xử lý sau khi in.
Lịch sử hình thành công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D đã có một lịch sử hình thành và phát triển qua nhiều năm, với nhiều biến động để rồi phát triển mạnh mẽ. Quá trình phát triển của công nghệ này trải qua những cột mốc quan trọng sau:
- 1980: Dr Kodama là người đã phát minh ra công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping)
- 1986: Charles (Chuck) Hull được trao bằng sáng chế đầu tiên cho thiết bị tạo khối Stereolithography. Về sau, Charles (Chuck) Hull cũng đã thành lập ra công ty 3D Systems
- 1988: Đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghệ 3D khi chiếc máy in 3D đầu tiên trên thế giới SLA-1 được sản xuất
- 1992: Bản quyền công nghệ in FDM đã thuộc quyền sở hữu của Stratasys
- 1999: Bắt đầu hành trình thử nghiệm in 3D nội tạng
- 2009: FDM đã hết thời hạn bảo hộ bản quyền, đồng thời được nhiều công ty ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề
Dựa trên lịch sử phát triển của công nghệ máy in 3D thì SLA ra đời đầu tiên và phát triển lâu nhất. Tuy nhiên ngày này, công nghệ FDM phổ biến và dễ sử dụng hơn. Đó là lý do nhiều người nhầm tưởng FDM là kỹ thuật in lâu đời nhất/duy nhất.
Vào thời điểm ra đời, công nghệ FDM cũng chưa phổ biến do vấn đề bảo hộ bản quyền. Mãi đến 2009, công nghệ in 3D này mới được nhân rộng. Và đến nay, kỹ thuật in 3D không còn quá xa lạ và ngày càng phát triển. Công nghệ FDM có những đóng góp to lớn với sự phát triển đa ngành nghề trong cuộc sống.
Vật liệu in 3D là gì?
Trên thị trường hiện có vô số các loại vật liệu in 3D từ nhựa nhiệt dẻo, kim loại cho đến các hợp chất hữu cơ. Về cơ bản, vật liệu in 3D được chia thành 3 dạng:
- Dạng sợi: Là nhóm vật liệu mà các máy in 3D giá rẻ (sử dụng công nghệ FDM) thường xuyên sử dụng. Nhựa dạng sợi đóng thành cuộn 1.75mm hoặc 3mm. Ở nhiệt độ từ 180 – 240 độ C, vật liệu này đã có thể nóng chảy.
- Dạng lỏng: Nhóm vật liệu được công nghệ UV/SLA/DLP/LCD sử dụng mực in ở dạng lỏng. Dưới tác động của tia laser/UV có bước sóng dao động từ 400-550 nm, chất liệu này rất dễ để hóa rắn.
- Dạng bột: Là chất liệu mà công nghệ SLS sử dụng nhiều nhất. Bột sẽ bị thiêu thành những khối rắn khi đạt nhiệt độ cao.Với công nghệ SLS, người ta có thể sử dụng bột Nylon hoặc bột kim loại tùy yêu cầu in 3D.
Một số loại nhựa in 3D được sử dụng phổ biến hiện nay:
Nhựa PLA: nhựa tổng hợp bằng tinh bột của khoai, ngô,… rất an toàn và đảm bảo sức khỏe. Đặc điểm của nhựa PLA là dễ nhuộm màu. Đặc biệt còn rất dễ dàng phân hủy sinh học. Vật liệu này dễ gia công và không gây ô nhiễm. Một điều thú vị khác là nhựa PLA còn có khả năng phát sáng trong bóng đêm. Điểm trừ của loại nhựa này là kém bền, dẻo.
Nhựa ABS: là loại nhựa chiết xuất từ các nguyên liệu hóa thạch. Nhờ đó mà nhựa ABS có khả năng chịu nhiệt tốt. Những sản phẩm tạo ra từ vật liệu in 3D bằng chất liệu nhựa ABS thường ứng dụng vào ngành sản xuất dụng cụ nhà bếp, linh kiện ô tô, ống cống,…
Vật liệu PEEK: sử dụng phương thức đùn đúc nhựa poly để sản xuất. PEEK có khả năng chịu nhiệt cao nên được dùng để sản xuất các loại công cụ, sản phẩm trong ngành xây dựng.
Vật liệu PET: thường dùng sản xuất chai đựng nước uống bởi đặc tính không mùi hôi và an toàn sức khỏe.
Vật liệu PETG: là một dạng của vật liệu PET. Đặc điểm của PETG là sợi nhựa được làm trong hơn, không bị giòn và dễ dùng. PETG bền hơn PLA, dễ in hơn so với nhựa ABS.
Nhựa Resin: được dùng phổ biến trong công nghệ in SLA. Đây là chất liệu nhựa tổng hợp, có tính ứng dụng cao trong việc tạo ra các công cụ ngăn chặn tác động từ tia UV độc hại.
Ngoài các vật liệu kể trên, một số công nghệ máy in 3D kim loại còn dùng các vật liệu như: thép, titan, nhôm, crom,…
Máy in 3D là gì
Một trong những phát minh mang tính cột mốc của nhân loại chính là máy in 3D. Chức năng chính của chiếc máy này là tạo nên những vật phẩm 3 chiều, dựa trên nguyên tắc xây dựng theo từng lớp cho đến khi hoàn tất toàn bộ vật thể.
Máy in 3D được dùng trong ngành thiết kế, sản xuất tiêu dùng, thời trang, sản xuất tạo mẫu công nghiệp, công nghệ làm bánh,… Kể cả các lĩnh vực như quân sự, hàng không hay y học, thẩm mỹ cũng ứng dụng công nghệ in 3D.
Máy in 3D có nhiều loại khác nhau, gồm 3 loại cơ bản:
- Dành cho cá nhân
- Dành cho doanh nghiệp/tổ chức
- Dành chế tạo mẫu vật với kích thước nhỏ, yêu cầu tính chính xác cao nhất
Cấu tạo của máy in 3D
Mỗi chiếc máy in 3D đều sẽ được kết hợp bởi các cấu kiện cơ khí và các bo mạch chấp hành cấu tạo nên. Thông qua thẻ nhớ, cáp USB, Wifi,… wi xử lý máy in 3D sẽ thực hiện nhận lệnh từ máy tính. Nó sẽ trực tiếp điều khiển đầu phun, động cơ, theo thứ tự để từ đó tạo nên các lớp in 3 chiều.
Dù có thiết kế khác nhau nhưng các sản phẩm máy in 3D đều hoạt động dựa trên nguyên tắc: đắp từng lớp vật liệu từ dưới lên hoặc từ trên xuống (tùy vào công nghệ máy in 3D đang sử dụng).
Mỗi máy in 3D dù có khác nhau về hình dáng nhưng đều có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:
- Bộ phận cơ khí: Chức năng chính là dẫn hướng truyền động đầu phun hoặc bàn đỡ giúp tạo mẫu. Độ chính xác của máy in 3D khi hoạt động được quyết định bởi độ chính xác của các linh kiện cơ khí và sự chính xác trong quá trình lắp ráp.
- Bộ phận điện tử: Đây là bộ phận làm nhiệm vụ đọc và phân tích file gcode từ USB hoặc thẻ nhớ. Bộ phận điện tử còn đóng vai trò quản lý tín hiệu điện điều khiển động cơ giúp phần cơ khí hoạt động.
- Bộ phận in: Có vai trò heat nhựa và truyền nhựa tạo thành từng lớp, cho ra đời sản phẩm hoàn tất.
Ưu điểm của máy in 3D
Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của máy in 3D là thời gian hoàn thiện một sản phẩm tương đối nhanh, từ 2 – 80 giờ. Tùy vào độ phức tạp của sản phẩm và kích thước sản phẩm mà thời gian khác nhau.
So với những công nghệ chế tạo truyền thống kéo dài trong nhiều tuần hoặc hàng tháng thì công nghệ này đã nhanh hơn rất nhiều. Điều này gián tiếp giúp tiết kiệm chi phí sản xuất, nhanh chóng đưa sản phẩm mới tiếp cận thị trường.
Cấu tạo đơn giản cũng là ưu điểm của loại máy in 3D. Sản phẩm dễ dàng tháo lắp kể cả khi bạn chưa được đào tạo qua trường lớp máy móc. Các bộ phận trong máy in được thiết kế riêng biệt, dễ dàng thay thế và sửa chữa.
Máy in 3D cho ra những sản phẩm có tính đồng nhất cao, gần như giống nhau 100%
Ngoài ra, loại máy này còn có tính linh hoạt cao, dễ dàng in bất cứ thứ gì mà bạn muốn
Các loại công nghệ in 3D tại Việt Nam
Công nghệ FDM
Công nghệ máy in 3D FDM sử dụng một vòi phun từng lớp một để ép đùn lượng nhựa nhiệt dẻo nóng chảy, tạo thành các chi tiết. Sau từng lớp in, khay đựng sẽ di chuyển xuống nhằm mục đích tạo ra khoảng không gian để thực hiện lớp in tiếp theo.
- Ưu điểm: Cho ra đời sản phẩm có cơ tính tốt với độ cứng tương đương nhôm. Bên cạnh đó còn giá thành thấp và dễ sử dụng
- Nhược điểm: Công nghệ cho độ chính xác không cao, mịn
Công nghệ Resin
Đây là công nghệ in 3D được tiến hành dựa trên loại mực in 3D resin lỏng, bao gồm: SLA, DLP và IN 3D liên tục
- Ưu điểm: Để tạo ra sản phẩm có độ mịn cao nhất thì đây là công nghệ cần dùng
- Nhược điểm: Chỉ phù hợp để in các mẫu vật nhỏ và tinh xảo vì quy trình in phức tạp
Công nghệ SLS
Công nghệ SLS là công nghệ hoạt động theo nguyên lý làm ấm khoang chứa bột ở mức nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của bột nhựa. Kế tiếp, tia laser CO2 sẽ chạm vào và đốt cháy bột ở điểm nóng chảy theo các mẫu thiết kế được xác định. Từ đó làm cho các khu vực cụ thể được đốt nóng thành thể rắn và tạo thành sản phẩm theo từng lớp một.
- Ưu điểm: Có thể ứng dụng với mọi vật thể,không cần vật liệu đỡ, bột in đóng vai trò làm vật liệu hỗ trợ
- Nhược điểm: Tốn kém chi phí vì quy trình in SLS cần đầu tư nhiều thiết bị hỗ trợ. Ngoài ra công nghệ SLS còn không thân thiện với người dùng.
Những tiềm năng thiết thực của công nghệ in 3D trong sản xuất
Ngày nay, công nghệ máy in 3D ngày càng khẳng định vị thế quan trọng trong đời sống. Các nhà sản xuất trong lĩnh vực hàng không, ô tô đã ứng dụng công nghệ này để chuyển đổi thiết kế và sản xuất các khối liền mạch, thân máy bay và hệ thống động lực.
Công nghệ in 3D cũng được dùng trong ngành khoa học y tế nhằm mục đích tùy chỉnh các mô cấy. Dự đoán trong tương lai, những bộ phận và cơ quan trong cơ thể con người cũng sẽ dễ dàng được tạo ra bằng công nghệ máy in 3D.
Ở lĩnh vực thời trang, các “ông lớn” như Nike, New Balance và Adidas đã dùng công nghệ máy in 3D nhằm tạo ra một nguyên mẫu của một chiếc giày nhanh hơn so với bình thường.
Sản phẩm in 3D ra sao?
In 3D là kỹ thuật gia công tạo mẫu nhanh. Do đó những sản phẩm tạo ra có thể dễ dàng cầm nắm được. Đặc biệt, sản phẩm có thể sử dụng như một sản phẩm “thông thường”. Tham khảo một số sản phẩm in 3D được tạo ra từ nhiều công nghệ, vật liệu in khác nhau.