In 3D đang mở ra cơ hội chưa từng có cho sản xuất trong mọi lĩnh vực, tuy nhiên, chính xác, công nghệ này hoạt động ra sao?

In 3D là phương pháp sản xuất linh hoạt, nhanh chóng. Trong vài thập kỷ qua, công nghệ này đã tạo nên làn sóng trong nhiều ngành công nghiệp trên khắp thế giới. In 3D là một phần của công nghệ sản xuất được gọi là sản xuất phụ gia. Hiểu đơn giản, in 3D là cách thêm vật liệu vào từng lớp đối tượng. Trong suốt lịch sử phát triển của nó, sản xuất phụ gia đã trải qua nhiều tên gọi khác nhau như in nổi, phân lớp và in 3D, nhưng in 3D là nổi tiếng nhất.

Máy in 3D hoạt động như thế nào?

Quá trình in 3D bắt đầu bằng cách tạo ra một mô hình đồ họa của đối tượng được in. Chúng thường được thiết kế bằng cách sử dụng phần mềm Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD). Đây có thể là phần tốn nhiều công sức nhất của quy trình. Các phần mềm được sử dụng cho việc này bao gồm TinkerCAD,  Fusion360 và Sketchup.

Đối với các sản phẩm phức tạp, các mô hình này thường được thử nghiệm rộng rãi trong mô phỏng để tìm bất kỳ lỗi tiềm ẩn nào trong sản phẩm cuối cùng. Tất nhiên, nếu đối tượng được in chỉ là trang trí đơn thuần thì điều này ít quan trọng hơn.

Một trong những lợi ích chính của in 3D là nó cho phép tạo mẫu nhanh chóng cho hầu hết mọi thứ. Hạn chế thực sự duy nhất là trí tưởng tượng của bạn.

Sau khi thiết kế, giai đoạn tiếp theo là cắt kỹ thuật số mô hình để dùng cho việc in ấn. Đây là một bước quan trọng vì máy in 3D không thể hình thành mô hình 3D. Quá trình cắt chia mô hình thành nhiều lớp. Sau đó, thiết kế cho mỗi lớp sẽ được gửi đến đầu máy in để in hoặc sắp xếp theo thứ tự.

Quá trình cắt lát thường được hoàn thành bằng cách sử dụng một chương trình máy cắt đặc biệt như CraftWare hoặc Astroprint. Phần mềm máy cắt lát này cũng sẽ xử lý phần “lấp đầy” của mô hình bằng cách tạo ra một cấu trúc mạng tinh thể bên trong một mô hình rắn để tăng độ ổn định nếu cần thiết.

Đây cũng là một lĩnh vực mà máy in 3D nổi trội hơn. Họ có thể in các vật liệu rất bền với mật độ rất thấp thông qua việc bổ sung chiến lược các túi không khí bên trong sản phẩm cuối cùng.

Phần mềm máy cắt cũng sẽ thêm vào các cột hỗ trợ, nếu cần. Những điều này là bắt buộc bởi vì nếu là vật liệu in từ nhựa không thể được đặt trong không khí loãng và các cột giúp máy in thu hẹp các khoảng trống. Các cột này sau đó sẽ được loại bỏ nếu cần.

Khi chương trình máy cắt đã hoạt động xong, dữ liệu sau đó sẽ được gửi đến máy in để thực hiện giai đoạn cuối cùng.

Từ đây, máy in 3D sẽ tiếp quản. Nó sẽ bắt đầu in mô hình theo hướng dẫn cụ thể của chương trình máy cắt bằng các phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào loại máy in được sử dụng. Ví dụ: in 3D trực tiếp sử dụng công nghệ tương tự như công nghệ  in phun, trong đó các vòi phun di chuyển qua lại, lên xuống, phân phối chất sáp dày hoặc polyme nhựa, để đông đặc lại tạo thành từng mặt cắt mới của vật thể 3D. Mô hình đa phản lực sử dụng hàng chục thiết bị hoạt động đồng thời để tạo mô hình nhanh hơn.

Trong in 3D kết dính, các đầu phun của máy in phun áp dụng bột khô mịn và một loại keo lỏng, hoặc chất kết dính, kết hợp với nhau để tạo thành từng lớp in. Máy in kết dính thực hiện hai lần để tạo thành mỗi lớp. Luồng thứ nhất lắng đọng một lớp bột mỏng, và luồng thứ hai sử dụng các vòi phun để áp dụng chất kết dính.

Trong quá trình quang phân tử, những giọt nhựa lỏng được chiếu vào chùm tia cực tím laser, tia này sẽ chuyển chất lỏng thành chất rắn.

Thiêu kết là một công nghệ in 3D khác liên quan đến việc làm tan chảy và hợp nhất các hạt với nhau để in từng lớp kế tiếp.  Quá trình thiêu kết laser tự chọn có liên quan dựa trên tia laser để làm chảy một loại bột nhựa chống cháy, sau đó đông đặc lại để tạo thành lớp in. Quá trình thiêu kết cũng có thể được sử dụng để chế tạo các đồ vật bằng kim loại.

Quá trình 3D có thể mất hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày, tùy thuộc vào quy mô và độ phức tạp của dự án.

Theo howtogeek.com: “Có một số công nghệ nhanh hơn tạo ra hướng đi mới cho ngành, như Carbon M1, sử dụng tia laser bắn vào lớp chất lỏng và kéo bản in ra khỏi nó, đẩy nhanh quá trình đáng kể. Nhưng những loại máy in này còn nhiều phức tạp, đắt tiền và chỉ hoạt động với nhựa”.

Bất kể loại máy in 3D nào được sử dụng, quy trình in tổng thể thường giống nhau:

Bước 1: Sản xuất mô hình 3D bằng phần mềm CAD.

Bước 2: Bản vẽ CAD được chuyển đổi sang định dạng ngôn ngữ tessellation tiêu chuẩn (STL). Hầu hết các máy in 3D sử dụng tệp STL ngoài các loại tệp khác như ZPR và ObjDF.

Bước 3: Tệp STL được chuyển đến máy tính điều khiển máy in 3D. Tại đó, người dùng chỉ định kích thước và hướng in.

Bước 4: Bản thân máy in 3D đã được thiết lập.  Mỗi máy có các yêu cầu riêng để thiết lập, chẳng hạn như đổ đầy polyme, chất kết dính và các vật tư tiêu hao khác mà máy in sẽ sử dụng.

Bước 5: Khởi động máy và chờ build xong. Máy nên được kiểm tra thường xuyên trong thời gian này để đảm bảo không có bất kỳ lỗi nào.

Bước 6: Đối tượng in được lấy ra khỏi máy.

Bước 7: Bước cuối cùng là xử lý hậu kỳ. Nhiều máy in 3D yêu cầu một số loại xử lý sau, chẳng hạn như phủi hết bột còn sót lại hoặc rửa vật thể in để loại bỏ các giá đỡ hòa tan trong nước. Đối tượng mới cũng có thể cần được bảo dưỡng.

Máy in 3D có thể tạo ra những gì?

Như chúng ta đã thấy, máy in 3D cực kỳ linh hoạt. Về lý thuyết, họ có thể tạo ra hầu hết mọi thứ mà bạn có thể nghĩ ra.

Nhưng điểm hạn chế của in 3D là vật liệu sử dụng thay “mực” cũng như kích thước của vật thể. Đối với các vật thể rất lớn, chẳng hạn như một ngôi nhà, bạn sẽ cần in các mảnh riêng lẻ, hoặc sử dụng một máy in 3D rất lớn.

Máy in 3D có thể in trong nhựa, bê tông, kim loại và thậm chí cả tế bào động vật. Nhưng hầu hết các máy in sẽ được thiết kế để chỉ sử dụng một loại vật liệu.

Một số ví dụ thú vị về các đối tượng được in 3D bao gồm:

  • Chân tay giả và các bộ phận cơ thể khác
  • Các tòa nhà
  • Món ăn
  • Dược phẩm
  • Súng cầm tay
  • Cấu trúc lỏng
  • Sản phẩm thủy tinh
  • Vật thể acrylic
  • Đạo cụ phim
  • Nhạc cụ
  • Quần áo
  • Các mô hình và thiết bị y tế

In 3D rõ ràng có ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp.

Có những phần mềm in 3D nào?

Các phần mềm CAD khác nhau sẽ sử dụng nhiều định dạng tệp khác nhau nhưng một số định dạng phổ biến nhất là:

  • STL – Ngôn ngữ viết tắt chuẩn, hay STL là một định dạng kết xuất 3D thường chỉ có thể xử lý một màu duy nhất. Đây thường là định dạng tệp mà hầu hết các máy in 3D trên máy tính để bàn sử dụng.
  • VRML – Ngôn ngữ tạo mô hình thực tế ảo, tệp VRML là một định dạng tệp mới hơn. Chúng thường được sử dụng cho các máy in có nhiều hơn một máy đùn và có thể xử lý việc tạo mô hình nhiều màu.
  • AMF –  Định dạng tệp Sản xuất Phụ gia, đây là tiêu chuẩn mở dựa trên .xml để in 3D. Nó cũng có thể hỗ trợ nhiều màu.
  • GCode – GCode là một định dạng tệp khác có thể chứa các hướng dẫn chi tiết để máy in 3D tuân theo để đặt từng lát.
  • Các định dạng khác – Các nhà sản xuất máy in 3D khác cũng có các định dạng tệp độc quyền của riêng họ.

Sự hữu ích của in 3D

Như đã đề cập ở trên, in 3D có thể có nhiều lợi thế khác nhau so với các quy trình sản xuất truyền thống như ép phun hoặc phay CNC.

In 3D là một quá trình cộng tính, thay vì trừ như phay CNC. In 3D xây dựng mọi thứ theo từng lớp, sau đó dần dần loại bỏ vật liệu khỏi một khối rắn để tạo ra sản phẩm. Điều này có nghĩa là trong một số trường hợp, in 3D có thể tiết kiệm tài nguyên hơn CNC. 

Một ví dụ khác về quy trình sản xuất truyền thống, ép phun, rất phù hợp để chế tạo nhiều đồ vật với khối lượng lớn. Mặc dù nó có thể được sử dụng để tạo nguyên mẫu, nhưng ép phun phù hợp nhất cho việc sản xuất hàng loạt quy mô lớn với thiết kế sản phẩm đã được phê duyệt. Tuy nhiên, in 3D phù hợp hơn với các hoạt động sản xuất quy mô nhỏ, hạn chế hoặc tạo mẫu. 

Tùy thuộc vào việc sử dụng, có một số lợi thế khác của in 3D so với các quy trình sản xuất khác. Các ưu điểm thể hiện như:

Sản xuất nhanh hơn – Mặc dù đôi khi chậm, nhưng in 3D có thể nhanh hơn một số quy trình thông thường như ép phun.

Dễ dàng tìm hiểu và ứng dụng – In 3D đã xuất hiện được vài thập kỷ và bùng nổ từ khoảng năm 2010. Hiện nay có rất nhiều loại máy in và phần mềm (nhiều loại là mã nguồn mở) giúp hầu hết mọi người đều có thể dễ dàng học cách làm.

Sản phẩm chất lượng tốt hơn – In 3D tạo ra chất lượng sản phẩm đồng nhất. Miễn là mô hình chính xác và phù hợp với mục đích và sử dụng cùng một loại máy in, sản phẩm cuối cùng thường sẽ luôn có cùng chất lượng.

Tuyệt vời cho thiết kế và thử nghiệm sản phẩm – In 3D là một trong những công cụ tốt nhất để thiết kế và thử nghiệm sản phẩm. Nó cung cấp cơ hội để thiết kế và thử nghiệm các mô hình để cho phép tinh chỉnh một cách dễ dàng.

Hiệu quả về chi phí – Như chúng ta đã thấy, in 3D có thể là một phương tiện sản xuất hiệu quả về chi phí. Khi mô hình được tạo ra, quá trình này thường được tự động hóa và chất thải nguyên liệu thô có xu hướng được hạn chế.

Các thiết kế sản phẩm gần như là vô hạn – Khả năng in 3D gần như là vô hạn. Miễn là nó có thể được thiết kế bằng CAD và máy in đủ lớn để in.

Máy in 3D có thể in bằng nhiều vật liệu khác nhau – Một số máy in 3D thực sự có thể pha trộn hoặc chuyển đổi giữa các vật liệu. Trong in ấn truyền thống, điều này có thể khó khăn và tốn kém.

Biên dịch | Vũ Hương (Nguồn: interestingengineering)

XEM THÊM