ĐẶT VẤN ĐỀ Yêu cầu xã hội Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) là công nghệ sản xuất tiên tiến, bên cạnh việc lập trình gia công trên máy CNC để gia công chế tạo sản phẩm người ta xây dựng mô hình CAD 3D trên máy tính và gia công theo cách thực hiện trực tiếp từ những dữ liệu của mô hình Với các vật liệu dạng bột, các phương pháp truyền thống như tiện, phay, bào không thể gia công tạo sản phẩm. Thay vào đó ta sử dụng phương pháp in 3d để thêu kết vật liệu dạng này thông qua tác dụng nhiệt của đầu đốt laser hoặc thêu kết bằng đầu phun nước,… Từ đó các kĩ sư đã thiết kế và chế tạo máy in 3d có độ chính xác cao hơn, in được trên các vật liệu khác nhau, giảm thời gian tạo ra sản phẩm và yêu cầu sản xuất in ra mô hình phức tạp mà các phương pháp truyền thống khó chế tạo. Tại Việt Nam các máy in 3d công nghiệp cũng đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm và phần lớn được cung cấp bởi các công ty hoạt động thương mại. Máy in 3d tạo bước phát triển lớn trong nghành công nghiệp tạo mẫu nhanh.
Đa phần các máy in 3d tại Việt Nam được các công ty sản xuất hàng loạt với công nghệ tiên tiến nhưng bù lại lại có chi phí cao, không linh hoạt trong cuộc sống và được phục vụ vào mục đích tạo ra các sản phẩm hàng loạt. Kết luận Trong xu thế đó nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác có thể linh hoạt trong cuộc sống thực hiện được tại gia đình và chi phí thấp nhằm phục vụ trong in các chi tiết, đồ dùng, quà lưu niệm,… Nhóm đã nghiên cứu, chế tạo và điều khiển máy in 3d dạng bột 1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ MỘT SỐ MÁY IN 3D HIỆN NAY Định nghĩa và khái niệm In 3D là một dạng công nghệ được gọi là sản xuất đắp dần/đắp lớp (Additive Manufacturing). Các quá trình đắp dần tạo ra các đối tượng theo từng lớp, khác với các kỹ thuật đúc hoặc cắt gọt (như gia công). Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing Materials - ASTM) đã đưa ra một khái niệm rõ ràng về công nghệ sản xuất đắp dần: “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay”.
Có thể thấy đây là một phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với các phương pháp cắt gọt - hay còn gọi là phương pháp gia công, mài giũa vật liệu nguyên khối - bằng cách loại bỏ hoặc cắt gọt đi một phần vật liệu, nhằm có được sản phẩm cuối cùng. Còn với sản xuất đắp dần, ta Trang 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay ép khuôn, nhưng từ những nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối cùng. Có nhiều thuật ngữ khác cũng được dùng để chỉ công nghệ in 3D như công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ chế tạo nhanh và công nghệ chế tạo trực tiếp.
Như vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra đời dựa trên cơ chế hay tính chất của công nghệ. Lịch sử công nghệ in 3D Công nghệ in 3D ra đời đã được hơn 30 năm nay. Thiết bị và vật liệu sản xuất đắp dần đã được phát triển trong những năm 1980. Năm 1981, Hideo Kodama của Viện Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) đã sáng tạo ra phương pháp tạo một mô hình bằng nhựa ba chiều với hình ảnh cứng polymer, nơi diện tích tiếp xúc với tia cực tím được kiểm soát bởi một mô hình lớp hay phát quang quét.
Sau đó, vào năm 1984, nhà sáng chế người Mỹ Charles Hull của Công ty Hệ thống 3D (3Dsystems) đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu dựa trên quá trình này được gọi là Stereolithography, trong đó các lớp được bổ sung bằng cách chữa giấy nến với ánh sáng cực tím laser. Hull định nghĩa quá trình như một "hệ thống để tạo ra các đối tượng 3D bằng cách tạo ra một mô hình mặt cắt của các đối tượng được hình thành," nhưng điều này đã được phát minh bởi Kodama. Đóng góp của Hull là việc thiết kế các định dạng tập tin STL (STereoLithography) được ứng dụng rộng rãi trong các phần mềm in 3D. Năm 1986, Charles Hull đã sáng tạo ra quy trình Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser.
Sau đó ông đăng ký bản quyền cho công nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS) có sử dụng file định dạng STL (Standard Tessellation Language). Hull cũng thành lập công ty 3Dsystems và đến nay nó là một trong những công ty cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực in 3D. Ưu, nhược điểm của công nghệ in 3D Công nghệ in 3D có những ưu điểm chính: Tốc độ hình thành sản phẩm rất nhanh so với công nghệ khác; Chi phi đầu tư sở hữu thấp nhất trong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh; Chi phí nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp; Đa dạng về vật liệu chế tạo và các ứng dụng; Có thể in các vật có cấu tạo hình học phức tạp mà không cần giá đỡ; Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng; Là công nghệ tạo mẫu có đầy đủ màu sắc lên đến hàng triệu màu; Cho phép chế tạo các sản phẩm đa dạng từ các vật liệu khác nhau, màu sắc khác nhau, khối lượng và kích thước với các tỷ lệ khác nhau so với chi tiết hoặc sản phẩm thật. Về các hạn chế hiện tại của in 3D, khác nhau tùy theo kỹ thuật in, bao gồm tốc độ in hiện tại chưa thực sự tương xứng với tiềm năng, kích thước đối tượng được in hạn chế, chi tiết hoặc độ phân giải của đối tượng còn giới hạn, chi phí vật liệu còn cao, và trong một số trường hợp, độ bền chắc của sản phẩm được in cũng hạn chế.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây đã có những tiến bộ nhanh chóng trong việc giảm các hạn chế này. Trang 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung 1.3 Các công nghệ in 3D 1.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D Hình 1. Nguyên lý chung của công nghệ in 3D Để bắt đầu in 3D, người ta cần một bản thiết kế vật thể 3D trên phần mềm CAD, một phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế trên máy tính.
Mô hình của vật thể hoặc được thiết kế trực tiếp trên phần mềm này hoặc được đưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser. Sau khi bản thiết kế được hoàn thành, ta cần tạo ra tài liệu STL - Standard Tessellation Language, một dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất đắp dần. Làm tesselate theo ngôn ngữ Tesselation chuẩn là chia một vật thể thành những đa giác nhỏ hơn, để mô phỏng cho cấu trúc bên ngoài và cả bên trong của vật thể. Đây là phần rất quan trọng trong sản xuất đắp dần.
Khi tài liệu đã được hoàn thiện, hệ thống sẽ chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông tin đến Trang 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung thiết bị sản xuất đắp dần. Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần sẽ tự chế tạo vật thể theo từng lớp một cho đến khi vật thể cần sản xuất được hoàn thiện. Để sản xuất các vật thể, các hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác nhau.
Các công nghệ này được phân loại dựa vào bản chất vật liệu. In 3D hay sản xuất đắp dần có thể làm việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại nhờ tác động của laser hay ánh sáng điện tử), hay vật liệu dạng bột (bột kim loại, bột gốm kết dính với nhau tạo thành sản phẩm…). Sau quá trình này thường có thêm một vài khâu hoàn thiện sau sản xuất. Có thể là loại bỏ bụi bẩn hoặc các chất liệu khác bám trên sản phẩm.
Ngoài ra, đôi khi chúng ta cần thêm quá trình thêu kết để có thể phủ kín các lỗ hổng trên sản phẩm. Hoặc sử dụng một vài quá trình thẩm thấu để phủ kín sản phẩm bằng các vật liệu khác. Ngày nay một loạt các công nghệ in được sử dụng, mỗi loại đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Các công nghệ chính bao gồm: “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS), “Thiêu kết lazer chọn lọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS), “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM), “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography) và “In phun sinh học” (Inkjet bioprinting).2 Công nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA) Đây là công nghệ in 3D xuất hiện đầu tiên và cũng là công nghệ in 3D chi tiết chuẩn xác nhất, có sai số thấp nhất trong các công nghệ in 3D khác.
Hiện 3D Systems là hãng nắm bản quyền thương mại công nghệ in 3D này. Công nghệ in 3D SLA là một công nghệ in 3D vẫn hoạt động theo nguyên tắc “đắp lớp” có đặc điểm khác biệt với các công nghệ khác là dùng tia UV làm cứng từng lớp vật liệu in (chủ yếu là nhựa lỏng). Tương tự công nghệ SLS, các máy in 3D sử dụng công nghệ SLA sử dụng chùm tia laser/UV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương đương để làm “đông cứng” các lớp vật liệu in 3D là nhựa dạng lỏng, nhiều rất nhiều lớp như vậy sẽ tạo nên vật thể in 3D SLA. Lớp in SLA có thể đạt từ 0.
Công nghệ này được sử dụng để chế tạo ra các vật phẩm 3D chỉ từ những hình ảnh trên máy tính và công nghệ này cho phép người dùng kiểm tra các mẫu thiết kế một cách nhanh chóng, chính xác trước khi quyết định đầu tư sản xuất hàng loạt. Về nguyên lý hoạt động: Sau khi tập tin 3D CAD được kết nối dưới ngôn ngữ STL (Tessellation language) thì quá trình in được bắt đầu: Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau đó nhiều lớp được đắp lên nhau cho đến khi đạt chỉ số kỹ thuật của vật thể đã định sẵn. Các lớp in 3D SLA có thể đạt từ 0.1mm tùy vào nhu cầu in Trang 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung Hình 1.