TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D MINI…
Lịch sử phát triển của máy in 3D - Người dùng cá nhân sẽ là thị trường tiềm năng
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ in 3D đang ngày càng mở rộng cho người dùng cá nhân, nhờ vào khả năng đáp ứng nhu cầu chế tác vật thể cho các nhà nghiên cứu khoa học và những người đam mê công nghệ in 3D.
Thời đại bùng nổ của máy in 3D hiện nay cho phép tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng từ các chất liệu như gỗ, kim loại và nhựa dẻo đặc biệt Công nghệ in 3D ngày càng phát triển, đáp ứng nhu cầu của người dùng cá nhân, từ các mô hình tinh xảo đến những vật thể nhỏ bé Sự tiến bộ này không chỉ phục vụ cho các nghiên cứu khoa học mà còn thu hút những người đam mê công nghệ in 3D.
1.1 Lịch sử hành trình phát triển máy in 3D
Máy in 3D hoạt động theo lệnh từ máy tính để tạo ra các sản phẩm từ vật liệu như kim loại, gốm và nhựa Quy trình in 3D bao gồm việc tạo ra từng lớp vật thể, trong đó máy in sẽ làm chảy nhựa lỏng và sau đó đông cứng lại trước khi hình thành lớp tiếp theo.
Hướng dẫn CAD là bản phác thảo kỹ thuật số giúp chế tạo các sản phẩm đa dạng Bất kỳ ai cũng có thể dễ dàng tạo ra mô hình 3D bằng phần mềm CAD, kết nối máy in với máy tính và chờ đợi quá trình in ấn hoàn tất.
Công nghệ in 3D, do Charles Hull phát triển vào năm 1986, đã mở ra hướng đi mới cho ngành xây dựng và tạo động lực cho sự phát triển kinh doanh trong lĩnh vực này.
Đến năm 2010, công nghệ in 3D đã trở nên phổ biến nhờ vào nguồn tài trợ từ chính phủ Mỹ và các gói hỗ trợ khởi nghiệp thương mại, thúc đẩy sự phát triển và đưa công nghệ này đến tay người tiêu dùng.
1.2 Tương lai của công nghệ in 3D
Công nghệ in ấn 3D chưa thể thay thế hoàn toàn các phương pháp sản xuất truyền thống, nhưng nó mang lại khả năng tạo ra các bộ phận riêng lẻ, đặc biệt được ưa chuộng trong ngành quân sự và hàng không Hiện tại, việc sản xuất các vật phẩm phục vụ nhu cầu sử dụng thông thường vẫn không phải là lĩnh vực phù hợp cho máy in 3D.
Máy in 3D đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất thiết bị y tế, đặc biệt là những thiết bị khó chế tạo bằng phương pháp truyền thống và có hình dạng đặc biệt Một ví dụ điển hình là các bác sĩ phẫu thuật tại Mỹ đã sử dụng công nghệ in 3D để thay thế phần hộp sọ bị tổn thương tới 75% của một bệnh nhân Ngoài ra, máy in 3D cũng có khả năng tạo ra tai giả từ vật liệu tương thích sinh học với cơ thể, mang lại hy vọng cho nhiều bệnh nhân cần phục hồi chức năng.
Sự phát triển của công nghệ in 3D toàn cầu đã thu hẹp khoảng cách giữa việc sử dụng máy in 3D cho nhu cầu gia đình và các hoạt động kinh doanh so với trước đây.
Thị trường kinh doanh online đã có ảnh hưởng tích cực khi cho phép đăng tải các sản phẩm in 3D trên các trang mua bán, từ đó gia tăng sự đa dạng của các sản phẩm được in bằng công nghệ 3D.
Không chỉ doanh nghiệp mà cả quân đội Mỹ cũng tận dụng công nghệ in 3D tại các phòng thí nghiệm ở Afghanistan để tăng tốc độ phát triển đổi mới NASA cũng ứng dụng máy in 3D để sản xuất các bộ phận thay thế cho tàu vũ trụ Mặc dù hầu hết máy in 3D không thể in các vật thể lớn, nhưng một số loại máy có khả năng in những cấu trúc kích thước lớn như nhà ở.
Nhiều mẫu máy in 3D in được vật thể kích thước lớn
1.3 Hạn chế của máy in 3D
Máy in 3D mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng tồn tại một số hạn chế, chủ yếu là khả năng tạo ra vật thể chỉ từ những vật liệu đặc biệt Điều này khiến cho máy in 3D không thể sản xuất những sản phẩm tinh xảo như của Apple Gần đây, một công ty Mexico tên Optomec đã phát triển máy in 3D hiện đại, có khả năng in chính xác các vật nhỏ như chip vi mạch.
Sự phát triển của công nghệ in 3D mang lại nhiều lợi ích cho những người đam mê tự chế tác, nhờ vào khả năng chia sẻ bản phác thảo mô hình qua internet Tuy nhiên, các chuyên gia an ninh cảnh báo rằng điều này cũng có thể dẫn đến gia tăng vi phạm bản quyền.
II TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG
NGHỆ IN 3D TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM
2.1 Lịch sử in 3D trên thế giới
In 3D là quá trình in ra nội dung theo từng lớp, với các lớp được chồng lên nhau và kết dính nhờ mực in Mực in có thể là nhựa, giấy, bột, polymer hoặc kim loại, tạo thành vật thể 3D Ý tưởng về in 3D được Tiến Sĩ Kodama công nhận lần đầu vào năm 1980, khi ông mô tả phương pháp sản xuất bằng cách xếp chồng các lớp vật liệu, được xem là nền tảng của công nghệ in 3D hiện đại.
SLA là công nghệ phơi sáng và cô đặc mực in 3D resin bằng tia UV Tuy nhiên, Kodam đã không kịp hoàn tất thủ tục cấp giấy chứng nhận bản quyền trong thời gian quy định.
Lý thuyết về công nghệ in 3d
Công nghệ in 3D, hay còn gọi là công nghệ tạo mẫu nhanh, là phương pháp hiện đại cho phép in 3D với nhiều loại vật liệu khác nhau như dạng khối, lỏng và bột Hiện nay, công nghệ này đã phát triển đa dạng, với nhiều phương thức in như sử dụng tia laser, dụng cụ cắt và đùn ép nhựa Các kỹ thuật in có thể thực hiện theo hai cách: từ dưới lên hoặc từ đỉnh xuống, mang lại sự linh hoạt trong việc tạo ra các sản phẩm 3D.
3.3 Phương pháp tạo mẫu nhanh (rapid prototying) dựa trên nguyên tắc xây dựng từng lớp vật liệu tương ứng với mô hình 3D bằng cách sử dụng các máy in 3D Quy trình này thực hiện cần phải có dữ liệu thiết kế đã hoàn thiện và chuyển về định dạng STL (Stereolithography) rồi nhập vào máy in 3D, từ đó sẽ được tự động xử lý và phân mô hình thành các lớp để được tạo mẫu
3.4 Phân loại các thiết bị công nghệ in 3D tại Việt Nam và trên thế giới 3.4.1 FDM (Fused Deposition Manufacturing)
FDM (Fused Deposition Manufacturing) là quy trình sản xuất bồi đắp vật liệu bằng cách nung chảy nhựa sợi để tạo ra từng lớp theo mặt cắt 2D Sau mỗi lớp, trục z nâng lên một độ cao tương ứng với độ dày của lớp in, từ đó hình thành cấu trúc chi tiết Vật liệu sử dụng trong quá trình in là sợi nhựa dẻo như PLA hoặc ABS, được dẫn từ cuộn đến đầu đùn thông qua hệ thống động cơ và cuốn Khi sợi nhựa đến đầu đùn, nó sẽ được nung chảy và sau đó được đùn qua vòi để in ra hình dạng theo mặt cắt đã định.
Máy in 3D công nghệ FDM có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng sử dụng đa dạng vật liệu nhựa ABS và PLA với nhiều màu sắc khác nhau Chi phí bảo trì thấp và vật liệu in an toàn cho sức khỏe, không cần giám sát trong quá trình in Các sản phẩm in từ công nghệ FDM có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt và va đập tốt, đồng thời tốc độ tạo hình 3D cũng rất nhanh chóng.
Công nghệ FDM có nhược điểm là tạo ra các lớp in dày hơn, dẫn đến việc ít được sử dụng cho các mẫu yêu cầu độ chính xác tuyệt đối Mặc dù bề mặt nhẵn của mẫu in FDM có thể đạt được qua xử lý thủ công, nhưng công nghệ này thường không được áp dụng trong lắp ghép do độ chính xác không cao, chủ yếu do sai số từ đường kính sợi nhựa Thêm vào đó, khả năng chịu lực của sản phẩm in 3D bằng FDM cũng không đồng nhất.
SLA (Stereolithography) là một công nghệ in 3D sử dụng tia laser để làm đông cứng nguyên liệu lỏng, tạo ra các lớp liên tiếp cho đến khi hoàn thiện sản phẩm Với độ dày lớp tối thiểu chỉ 0,06mm, phương pháp này đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình sản xuất.
Kỹ thuật này có thể được hình dung như việc đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, sau đó ang tia laser di chuyển theo thiết kế lên bề mặt nguyên liệu, giúp làm cứng lớp nguyên liệu này Khi lớp nguyên liệu đã cứng lại, bệ đỡ sẽ hạ xuống để tạo ra một lớp mới, và quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi sản phẩm hoàn tất.
Mẫu tạo ra có độ chính xác cao và bề mặt nhẵn, cho phép sản xuất các hình dạng phức tạp và kích thước lớn Công nghệ này sử dụng vật liệu nhựa dạng đục, mang lại hiệu quả tối ưu cho các ứng dụng đa dạng.
Máy móc sử dụng công nghệ in 3D này có nhược điểm là cồng kềnh và đắt đỏ hơn so với các công nghệ khác Việc tạo mẫu yêu cầu bảo quản trong phòng tối để tránh ánh sáng mặt trời làm cong vật liệu nhựa cảm quang Ngoài ra, cần sự bảo dưỡng cẩn thận và xử lý mẫu sau khi in, đồng thời mẫu có thể chứa lượng nhựa độc hại trong một khoảng thời gian giới hạn.
Công nghệ in 3D SLS (Selective Laser Sintering) hoạt động tương tự như SLA, nhưng sử dụng vật liệu dạng bột hoặc thủy tinh Quá trình tạo lớp được thực hiện bằng cách sử dụng vật liệu phụ trợ như keo chuyên dụng, có thể kèm theo màu sắc CMYK hoặc RGB cho các sản phẩm in 3D đa sắc màu, hoặc bằng tia laser và tia UV.
Công nghệ SLS (Selective Laser Sintering) nổi bật với khả năng tạo mẫu từ nhiều loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại và thủy tinh Ưu điểm của SLS bao gồm việc tạo ra các mẫu đa dạng về màu sắc và hình dạng phức tạp mà không cần vật liệu hỗ trợ Đặc biệt, độ mịn bề mặt của sản phẩm in SLS vượt trội hơn so với FDM, khó có thể phân biệt các lớp in bằng mắt thường.
Nhược điểm của các mô hình này bao gồm tính phức tạp, chi phí đầu tư và vận hành cao, do hao tổn vật liệu lớn Cả các mô hình kín và có phần rỗng bên trong đều yêu cầu một lượng vật liệu đáng kể, dẫn đến chi phí cao trong quá trình sử dụng.
3.4.4.Công nghệ SLM (Selective Laser Melting)
SLM (Selective Laser Melting) là công nghệ in 3D kim loại hoạt động tương tự như SLS (Selective Laser Sintering), nhưng với công suất laser cao hơn, cho phép làm tan chảy bột kim loại và kết hợp chúng thành khối đồng nhất SLM sử dụng các vật liệu dạng bột như titan, nhôm, đồng và thép để thực hiện quá trình in 3D Công nghệ này hoạt động tương tự như SLA và SLS, nhưng sử dụng tia laser cường độ lớn thay vì tia UV.
Phương pháp in 3D này được ứng dụng rộng rãi cho các bộ phận hình học phức tạp và cấu trúc mỏng với khoảng trống ẩn bên trong Công nghệ SLM đang được áp dụng trong các dự án tiên phong trong lĩnh vực hàng không vũ trụ để tạo ra các bộ phận nhẹ Tuy nhiên, công nghệ này chủ yếu không phục vụ cho nhu cầu gia đình, mà chủ yếu được sử dụng trong chế tạo thiết bị chỉnh hình y tế và ứng dụng hàng không vũ trụ.
Vật liệu phổ biến trong ngành công nghiệp không gian và chỉnh hình y tế bao gồm thép không gỉ, nhôm, titan và cobalt chrome Công nghệ SLM (Selective Laser Melting) được áp dụng để sản xuất các bộ phận có hình học phức tạp và cấu trúc mỏng, bao gồm các kênh ẩn hoặc khoảng trống.
3.4.5 Ngoài ra còn một số công nghệ khác như: Polyjet (Ink Jetting), Công nghệ in EBM (Electronic Beam Melting), Công nghệ in LOM. 3.4.6 Công nghệ EBM (Electron Beam Melting)
