In 3D hoạt động như thế nào?

Một phương pháp sản xuất bồi đắp là in 3D. Phương pháp này được gọi là "bồi đắp" vì nó chỉ đơn giản là xếp chồng và hợp nhất các lớp vật liệu để tạo ra các vật thể thực tế thay vì cần một khối vật liệu hoặc khuôn mẫu. Nó có thể tạo ra các hình dạng phức tạp hơn so với các công nghệ "thông thường", thường nhanh chóng, chi phí thiết lập cố định thấp và hoạt động với phạm vi vật liệu ngày càng mở rộng. Ngành kỹ thuật ứng dụng rộng rãi phương pháp này, đặc biệt là khi tạo mẫu và phát triển các hình dạng nhẹ.

Sản xuất bồi đắp và in 3D

Thuật ngữ "in 3D" thường gắn liền với văn hóa sáng tạo, người nghiệp dư và người đam mê, máy in để bàn, các kỹ thuật in dễ tiếp cận như FDM, và các vật liệu giá rẻ như ABS và PLA. Điều này một phần là do các máy in để bàn giá cả phải chăng xuất hiện từ phong trào RepRap, chẳng hạn như MakerBot và Ultimaker ban đầu, đã góp phần vào việc dân chủ hóa in 3D và sự bùng nổ in 3D năm 2009.

Công nghệ in 3D: Tương lai của sản xuất sáng tạo

3D in ấn lịch sử

Khái niệm sản phẩm in 3D bắt đầu xuất hiện vào những năm 1970. Năm 1981, nhà khoa học người Nhật Bản, Tiến sĩ Kodama, người đầu tiên mô tả phương pháp sản xuất in từng lớp, đã thử nghiệm in 3D và tự mình tạo ra công nghệ in 3D SLA (in thạch bản lập thể) - nhựa nhạy sáng được trùng hợp bằng tia cực tím.

Vài năm sau, nhà khoa học người Mỹ Charles Hull cũng đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ SLA và nộp bằng sáng chế đầu tiên về SLA vào năm 1986. Thành lập 3D Systems và phát hành sản phẩm thương mại đầu tiên của họ, SLA-1, vào năm 1988. (hình ảnh bên dưới)

SLA có thể được coi là công nghệ in 3D phát triển sớm nhất, vậy khi nào thì SLS (Selective Laser Sintering) và FDM (Fused Deposition Modeling) ra đời sau?

Năm 1988, Carl Deckard, người Mỹ, đã được cấp bằng sáng chế công nghệ SLS tại Đại học Texas, một kỹ thuật in 3D khác trong đó tia laser kết hợp các hạt bột lại với nhau để in. Cùng năm đó, Scott Crump, một trong những người sáng lập Stratasys, đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ mô hình hóa lắng đọng hợp nhất (FDM). Từ năm 1980 đến năm 1990, ba công nghệ in 3D chính đều được cấp bằng sáng chế, đánh dấu sự khởi đầu của một giai đoạn phát triển nhanh chóng trong ngành công nghiệp này.

Tại Châu Âu, EOS GmbH đã tạo ra một hệ thống thiết kế cho in 3D: hệ thống "Stereos". Ngày nay, các mô hình in 3D của công ty trong lĩnh vực công nghiệp được sử dụng trên toàn thế giới cho công nghệ in 3D SLS (Thiêu kết laser chọn lọc) dành cho nhựa và kim loại được công nhận.

Năm 1992, bằng sáng chế công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) đã được Stratasys cấp phép, công ty đã phát triển máy in 3D để đáp ứng các nhu cầu khác nhau của nhiều chuyên gia và cá nhân.

Từ năm 1993 đến năm 1999, nhiều công nghệ khác nhau đã xuất hiện trong ngành công nghiệp in 3D. Đồng thời, ngày càng nhiều phần mềm CAD và phần mềm mô hình hóa 3D mới được phát triển, ví dụ như Sanders Prototype (nay gọi là Solidscape), một trong những phần mềm đầu tiên được tạo ra.

Ứng dụng đa lĩnh vực in 3D

Năm 2008, bộ phận giả in 3D đầu tiên ra đời, giúp tăng thêm thị phần của in 3D trên các phương tiện truyền thông. Mọi người nhận thấy rằng in 3D không chỉ có thể in các bộ phận truyền thống mà còn có thể được áp dụng để sửa chữa cơ thể con người. Dự án in 3D y tế tuyệt vời này kết hợp tất cả các bộ phận của một chi sinh học và có thể được in "nguyên trạng" mà không cần bất kỳ quá trình lắp ráp nào sau đó. Ngày nay, kết hợp với công nghệ quét 3D, các bộ phận giả y tế và dụng cụ chỉnh hình in 3D đang ngày càng rẻ hơn và nhanh hơn để đáp ứng nhu cầu của bệnh nhân. Hơn nữa, các bộ phận giả này ngày càng được tối ưu hóa và thích ứng với hình thái của bệnh nhân. In 3D mang đến những cơ hội mới cho việc cá nhân hóa hàng loạt. (thêm hình ảnh)

Năm 2009 là năm các bằng sáng chế FDM bước vào lĩnh vực tiêu dùng đại trà, mở ra một hướng đi mới cho sự đổi mới sâu rộng của máy in 3D FDM. Khi giá máy in 3D để bàn giảm xuống, ngày càng nhiều người chú ý đến sự phát triển của ngành công nghiệp in 3D.

Năm 2013, trong Thông điệp Liên bang, Tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama đã đề cập đến in 3D như một phương thức sản xuất chủ đạo của tương lai, khiến "in 3D" trở thành một thuật ngữ thông dụng. Giờ đây, vị thế của nó trong tâm trí công chúng rất nổi bật. Ngày càng nhiều công ty vừa và nhỏ tận dụng lợi thế của việc tạo mẫu chi phí thấp do in 3D mang lại, tích hợp hoàn toàn vào quy trình lặp lại, đổi mới và sản xuất của họ.

Xe ý tưởng in 3D

Về ứng dụng xây dựng, nhà in 3D giờ đây đã trở thành hiện thực. Người dân đã chuyển đến sống trong những ngôi nhà in 3D lần đầu tiên vào năm 2018. Ngôi nhà có diện tích 1022 feet vuông (khoảng 1022 mét vuông), rất phù hợp để ở. Chỉ mất tổng cộng hai ngày để in.

Hệ thống phân loại in 3D về điểm giống và khác nhau giữa sản xuất và in 3D

Lấy quả bóng rỗng làm ví dụ. Trên bề mặt có hơn chục bông hoa. Nếu gia công theo phương pháp truyền thống, sẽ rất rắc rối, và các mẫu phải được chỉnh sửa từng cái một. Còn nếu chọn in 3D, sẽ không lãng phí vật liệu, nên nó còn có tên gọi là sản xuất bồi đắp, tức là phương pháp tích lũy vật liệu dần dần để chế tạo các chi tiết vật lý. Phương pháp truyền thống là tạo phôi trước, sau đó loại bỏ vật liệu thừa, phần vật liệu còn lại sẽ có hình dạng mong muốn. Nếu phát hiện vấn đề, cần phải mở khuôn và chỉnh sửa; trong khi in 3D sử dụng phương pháp tích lũy vật liệu từng chút một, bạn có thể nhanh chóng nhìn thấy sản phẩm hoàn thiện.

Thực hiện công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. Thứ mà in 3D cần không phải là vật thể vật lý mà là mô hình kỹ thuật số. Nếu bạn muốn in 3D vật thể thật trước mắt, bạn phải sử dụng máy tính để tạo mô hình, hoặc sử dụng máy quét 3D để số hóa vật thể thật, tức là mô hình 3D, và bạn có thể in ra chỉ trong mười lăm phút. Hiện nay, công nghệ in 3D được chia thành bốn loại chính: FDM, DLP/SLA và SLS.

SLS--quy trình đúc thiêu kết bằng laser

SLS là một loại bột công nghệ tương đối cao, nóng chảy trong điều kiện nhiệt độ cao của chiếu xạ laser. Trải một lớp bột mỏng trên bàn làm việc và quét mặt cắt ngang của lớp bằng chùm tia laser để tăng nhiệt độ đến điểm nóng chảy, để thực hiện quá trình thiêu kết và liên kết, lặp lại quá trình rải bột, thiêu kết, nghiền và sấy khô cho đến khi mô hình được hình thành. Trên thực tế, in 3D chính là in 2D lặp đi lặp lại. Nếu bạn cắt một vật thể rất mỏng, bạn sẽ thấy rằng mỗi mảnh đều có một hình dạng. Nếu bạn ghép tất cả các hình dạng lại với nhau, bạn sẽ có được một vật thể có cấu trúc ba chiều. Vì vậy, chúng tôi sử dụng laser để vẽ đồ họa. Khả năng chống chịu của các chi tiết đúc SLS với môi trường (nhiệt độ, độ ẩm và ăn mòn hóa học) tương tự như vật liệu nhiệt dẻo; trong khi khả năng chống chịu của các chi tiết đúc SLA tương đối kém, ví dụ, các phôi SLA được đúc bằng nhựa epoxy dễ bị ẩm và hóa chất. Ăn mòn, nó sẽ mềm và cong vênh trong môi trường trên 38°C, nhưng độ chính xác tạo hình lại cao.

SLA -- quy trình đúc khuôn in thạch bản lập thể

SLA là công nghệ quang trùng hợp, hiện đang được phát triển tương đối rộng rãi tại Trung Quốc. "Khắc lập thể" là phương pháp sử dụng chùm tia laser phác họa hình dạng lớp đầu tiên của vật thể trên bề mặt nhựa lỏng, sau đó hạ bệ sản xuất xuống một khoảng cách nhất định (từ 0,05-0,025mm), sau đó nhúng lớp đã đông đặc vào nhựa lỏng, v.v. Nhựa được sử dụng là nhựa cảm quang, sau khi được chiếu xạ bởi chùm tia laser, sẽ tạo thành trạng thái rắn, tạo hình nhanh chóng và chính xác.

DLP--quy trình đúc khuôn lập thể

Xử lý ánh sáng kỹ thuật số DLP, còn được gọi là công nghệ tạo hình bằng laser. Công nghệ in 3D DLP có nhiều điểm tương đồng với công nghệ in 3D SLA. Nếu ví sản xuất như vẽ một vòng tròn bằng bút chì, thì công nghệ SLA tương đương với việc vẽ từng lớp, trong khi DLP tương đương với việc dập trực tiếp. Sản xuất hàng loạt mà chúng tôi đang theo đuổi có hai điểm rất quan trọng, một là hiệu quả và hai là chi phí vật liệu. Có một máy in 3D có thể in nhanh hơn hàng trăm lần so với sản xuất truyền thống, đó là công nghệ mặt đối mặt, do một công ty ở Thâm Quyến, Light Prism Technology, phát triển. Phải mất 2-5 giờ để in một quả bóng rỗng bằng công nghệ in 3D FDM truyền thống, và chỉ mất một giờ để in bằng công nghệ mặt đối mặt mới nhất, nhưng chỉ mất khoảng 10 phút để in bằng công nghệ mặt đối mặt mới nhất. Tốc độ in thật đáng kinh ngạc. Một khi công nghệ in 3D này có mặt trên thị trường, tác động của nó đối với các ngành thủ công truyền thống vẫn còn rất lớn.

FDM - Quy trình đúc lắng đọng nóng chảy

So với công nghệ DLP và SLS, công nghệ FDM tương đối đơn giản, do đó có đối tượng sử dụng rộng rãi và dễ dàng tiếp cận hơn. Nguyên mẫu được chế tạo trực tiếp từ dữ liệu CAD 3D bằng cách sử dụng vật liệu nhiệt dẻo để đùn thành sợi bán nóng chảy, được lắng đọng theo từng lớp. Ưu điểm của công nghệ FDM là cấu trúc cơ học đơn giản, thiết kế dễ dàng, chi phí sản xuất, chi phí bảo trì và chi phí vật liệu thấp, không gây ô nhiễm môi trường. Do đó, FDM cũng là công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất trong máy in 3D để bàn gia dụng. Đây là phương pháp in tương đối truyền thống, không sử dụng laser và có chi phí thấp, nhưng độ chính xác không cao và tốc độ in rất chậm. Đây là phương pháp dễ tiếp cận nhất đối với mọi người và thường được sử dụng trong thị trường giáo dục.

Tác động của in 3D đến sản xuất và nghề thủ công truyền thống

Ưu điểm của in 3D

(1) Tùy chỉnh

Lấy nha khoa làm ví dụ, răng của mỗi người đều khác nhau, nhưng in 3D có thể giải quyết mâu thuẫn giữa sản xuất tùy chỉnh và sản xuất hàng loạt, đồng thời sản xuất hàng loạt các loại cấy ghép, niềng răng, v.v. tùy chỉnh.

(2) mẫu thời gian thực

Nhờ tốc độ in 3D nhanh, nhà thiết kế có thể thiết kế một phiên bản sản phẩm vào buổi sáng, và người đứng đầu có thể xem sản phẩm hoàn thiện vào buổi trưa, sau đó thiết kế một phiên bản khác vào lúc 6 giờ chiều, và có thể xem sản phẩm hoàn thiện vào sáng hôm sau, điều này giúp tăng tốc đáng kể tốc độ phát triển sản phẩm mới. Nếu không quá phức tạp, in 3D có thể tạo ra sản phẩm hoàn thiện trong 3 giờ, trong khi quy trình kiểm tra truyền thống mất 4-6 tuần mỗi lần, do đó tốc độ thiết kế công nghiệp tổng thể cũng được cải thiện.

(3) Không ô nhiễm

 Vì nguyên liệu sản xuất đều thân thiện với môi trường, nên toàn bộ quy trình sản xuất đều không gây ô nhiễm. Không gây ô nhiễm khí thải, nước thải, và không lãng phí vật liệu thừa.

(4) Dữ liệu hóa

Khi nha khoa kỹ thuật số phát triển, yêu cầu kỹ thuật đối với bác sĩ sẽ giảm đáng kể. Bệnh nhân chỉ cần sử dụng thiết bị để quét trong hai phút tại bệnh viện là có thể biết được nguyên nhân và giải pháp cho mọi vấn đề về răng miệng.

Ngoài ra, in 3D còn có thể được sử dụng trong chỉnh nha, in niềng răng trong suốt được cá nhân hóa và tùy chỉnh. Trong phẫu thuật thẩm mỹ, răng nên di chuyển sang trái hay ra trước? Di chuyển bao nhiêu milimet? Trước đây, phẫu thuật nha khoa chỉ dựa vào kinh nghiệm cá nhân của bác sĩ, nhưng nha khoa kỹ thuật số đã tăng tính ổn định của phẫu thuật và hạ thấp ngưỡng kỹ thuật cho bác sĩ.

(5) Nhanh

 So với các quy trình công nghiệp truyền thống, in 3D không yêu cầu chuẩn bị ban đầu như nhân lực và vận chuyển, chỉ cần máy móc và nguyên liệu thô, có thể nhanh chóng đưa vào sản xuất.

(6) Tự động hóa

 Có thể nói rằng chỉ có một máy in 3D duy nhất kết nối giữa trí tưởng tượng ảo và sản phẩm thực tế. Việc sản xuất in 3D chỉ bằng một nút bấm giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí nhân công và sai sót của con người.