CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan về công nghệ in 3D Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing Materials - ASTM), công nghệ in 3D là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D bằng phương pháp chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau. Quá trình này trái ngược với công nghệ cắt gọt truyền thống dùng trong chế tạo trước đây. Công nghệ in 3D là một phương pháp sản xuất đột phá, cho phép tạo ra các đối tượng ba chiều từ các tệp mô hình số.
Thay vì cắt hoặt làm hình dạng từ vật liệu lơn, như trong quá trình gia công truyền thống, công nghệ in 3D xây dựng các đối tượng bằng cách chồng lớp một cách có hệ thống. Quá trình in 3D thường bắt đầu với việc tạo ra một mô hình số của đối tượng muốn sản xuất, thường thông qua việc sử dụng phần mềm thiết kế hoặc quét 3D. Một khi mô hình số được tạo ra, nó được chuyển đến máy in 3D. Các máy in 3D sử dụng một loạt các kỹ thuật và vật liệu để tạo ra các đối tượng, bao gồm sử dụng các lớp nhựa, kim loại, hoặc thậm chí là vật liệu sinh học.
Công nghệ in 3D mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm: Tính linh hoạt: Có thể in 3D một loạt các đối tượng từ các ngành công nghiệp khác nhau, từ y tế đến ô tô và công nghiệp hàng không. Tối ưu hóa chi phí sản xuất: Quá trình in 3D có thể giảm thiểu lãng phí vật liệu và làm giảm thời gian sản xuất so với các phương pháp truyền thống. Khả năng tùy chỉnh cao: In 3D cho phép sản xuất các sản phẩm tùy chỉnh hoàn toàn, phù hợp với nhu cầu cụ thể của từng cá nhân hoặc doanh nghiệp. Tạo ra các hình dạng phức tạp: Công nghệ này có thể tạo ra các hình dạng và cấu trúc mà các phương pháp sản xuất truyền thống không thể làm được.
Tăng năng suất: Một số máy in 3D hiện đại có khả năng sản xuất hàng loạt đối tượng cùng một lúc, tăng hiệu suất sản xuất. Quá trình in 3D thường bắt đầu với việc tạo ra một mô hình số của đối tượng muốn sản xuất, thường thông qua việc sử dụng phần mềm thiết kế hoặc quét 3D. Một khi mô hình số được tạo ra, nó được chuyển đến máy in 3D. Các máy in 3D sử dụng một loạt các kỹ thuật và vật liệu để tạo ra các đối tượng, bao gồm sử dụng các lớp nhựa, kim loại, hoặc thậm chí là vật liệu sinh học.
Với những ưu điểm vượt trội so với phương pháp gia công kiểu truyền thống như giúp cho tạo mẫu công nghiệp trở nên nhanh chóng và đơn giản, đồng thời tiết kiệm thời gian, tiền bạc trong quá trình phát triển sản phẩm và đảm bảo độ chính xác cao cho vật mẫu, công nghệ in 3D đang trở thành sự chọn lựa lý tưởng và được ứng dụng rộng rãi, đóng vai trò quan trọng ở nhiều lĩnh vực như sau: Trong công nghiệp sản xuất: Đây là ngành sử dụng máy in 3D nhiều nhất. Lý do chính khiến công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong môi trường công nghiệp là bởi nó cho phép sản xuất các mô hình có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm theo yêu cầu. Vì vậy, in 1 3D mở ra tiềm năng về lợi thế chi phí sản xuất, cải tiến quy trình và cả sản phẩm cho các nhà cung cấp trong một số trường hợp cụ thể. Trong ngành công nghiệp điện tử: Máy in 3D được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau và đã mở ra một trào lưu mới của ngành công nghiệp này.
Trong công nghiệp ô tô: Công nghệ in 3D được sử dụng để sản xuất thử nghiệm các thiết kế, tạo mẫu và sản xuất một số bộ phận, công cụ lắp ráp đặc biệt. Ngoài ra, người ta cũng đã áp dụng công nghệ in 3D để sản xuất ra một chiếc xe hoàn chỉnh. Trong ngành hàng không vũ trụ: Đã có công ty ứng dụng công nghệ in 3D trong việc sản xuất ra các bộ phận máy bay, đặc biệt là các bộ phận có hình dạng phức tạp. Quan trọng hơn, người ta đang kì vọng rằng bằng cách đưa máy in 3D ra ngoải không gian, các nhà du hành vũ trụ có thể tự sản xuất các bộ phận thay thế ngay khi cần thiết.
Chỉ cần có máy in 3D và vât liệu in ấn được dự trữ sẵn, khi có bất kì hỏng hóc gì trong các chuyến du hành vũ trụ, nhà du hành có thể nhận file thiết kế từ trái đất chuyển lên và trực tiếp in ra các bộ phận thay thế ở ngoài không gian. Trong công nghiệp quốc phòng: Ngành công nghiệp quốc phòng sử dụng in 3D cho các mục đích sản xuất đặc biệt và tiết kiệm chi phí. Hiện nay, các máy in 3D kim loại dùng để sản xuất súng đã ra đời. Trong y tế: Công nghệ in 3D đã được ứng dụng để sản xuất các mô sinh học, mô hình giải phẫu bộ phận cơ thể con người (xương, răng, tai giả, …).
Công nghệ này cũng được sử dụng để hỗ trợ các thử nghiệm về phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ bác sĩ. Đặc biệt, với Bioprinting (in 3D các mô sinh học), người ta còn kì vọng là có thể sản xuất ra các bộ phận cơ thể người phục vụ cho việc thay thế và cấy ghép các cơ quan bị hỏng (như ghép da, ghép thận, ghép tim,…). Trong giáo dục: In 3D có những ứng dụng rất thiết thực, đặc biệt liên quan đến các môn khoa học, công nghệ, kỹ thuật và kỹ năng toán học. Sinh viên có thể thiết kế và sản xuất các sản phẩm trong lớp học và có cơ hội thử nghiệm các ý tưởng, vừa học, vừa làm với máy in 3D.
Cách làm này làm tăng hứng khởi học tập, làm việc theo nhóm, tương tác trong lớp học cũng như hỗ trợ khả năng sáng tạo, kĩ năng máy tính, và khả năng tư duy ba chiều của sinh viên. Trong công nghiệp thực phẩm: Đã có nhiều công ty chuyên về ứng dụng công nghệ in 3D trong thực phẩm được thành lập. Người ta có thể thiết kế các món ăn như socola hay bánh kẹo thành những hình dáng đẹp mắt và cầu kì, sau đó sử dụng các nguyên liệu thực phẩm ở dạng lỏng hoặc dạng bột để in thành món ăn theo những hình dạng được thiết kế. Trong kiến trục và xây dựng: Kiến trúc và xây dựng dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các tòa nhà bằng các máy in 3D khổng lồ.
Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tông và cát. Phương pháp in 3D trong xây dựng có thể mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí (đặc 2 biệt là chi phí lao động), cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động đến môi trường. Ngoải ra, công nghệ in 3D còn được sử dụng để in ra các mô hình kiến trúc, các thiết kế căn hộ để phục vụ cho việc trưng bày hoặc kiếm tra lại thiết kế. Trong công nghiệp thời trang: Đã có những show diễn mà ở đó người mẫu trình diễn các trang phục được sản xuất 100% bằng công nghệ in 3D.
Bên cạnh đó, trang sức và trang phục thiết kế theo yêu cầu cá nhân được sản xuất bằng công nghệ in 3D hiện nay đã trở nên khá phổ biến trên thế giới.2 Phân loại công nghệ in 3D Tùy vào cách thức xếp chồng để xây dựng mô hình 3D và vật liệu cấu thành, công nghệ in 3D được phân thành 3 nhóm chính sau: Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu in 3D dạng nhựa dẻo và phi kim loại. Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu kim loại. Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu hữu cơ. Dưới đây là một số công nghệ in 3D phổ biến và thường được sử dụng nhất hiện nay: 1.1 Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling): Hình TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.1: Sơ đồ nguyên lý công nghệ FDM FDM là quá trình bồi đắp vật liệu bằng cách nung nhựa sợi nóng chảy dẻo rồi tạo từng lớp theo mặt cắt 2D, sau mỗi lớp trục z sẽ nâng lên độ cao bằng độ cao của 1 lớp in để dần tạo nên cấu trúc chi tiết.
Vật liệu in là sợi nhựa dẻo (PLA, ABS.) được dẫn từ một cuộn tới đầu chuyển động điều khiển bằng động cơ và hệ thống cuốn. Khi sợi nhựa tới đầu đùn nó được nung chảy bởi nhiệt độ sau đó được đùn theo vòi đầu đùn và in biến dạng theo mặt cắt của chi tiết. Vật liệu in: Sợi nhựa PLA, ABS. 3 Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, chi phí cho thiết bị và vật liệu thấp.
Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực, sản phẩm có độ cứng cao. Tốc độ tạo hình 3D nhanh. Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao, nguyên nhân sai số từ đường kính sợi nhựa. Khả năng chịu lực không đồng nhất.2 Công nghệ SLA (Stereolithography): Hình TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.2: Sơ đồ nguyên lý công nghệ SLA Công nghệ SLA được phát minh ở Mỹ vào năm 1984.
Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA dựa vào nguyên tắc đông cứng vật liệu lỏng photopolymer thành hình dạng rõ ràng khi nó được chiếu bởi một chùm tia laser cường độ cao. Có thể sử dụng Laser He-Cd với bước sóng 325nm hoặc Laser dạng rắn Nd:YVO4, với bước sóng 354,7nm. Kỹ thuật này có thể được hình dung đơn giản như sau: đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển lên mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu này cứng lại. Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu đã cứng được hạ xuống để tạo một lớp mới, các lớp tiếp theo được thực hiện tiếp tục đến khi sản phẩm hoàn tất.
Vật liệu: Nhựa lòng Resin. Ưu điểm: Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ phân giải cao, sắc nét và chính xác. Sử dụng nguồn lazer nên tốc độ in nhanh hơn các công nghệ FDM. Tiết kiệm được nguyên liệu so với các phương pháp gia công truyền thống, nhựa lỏng thừa khi in xong chi tiết vẫn dùng để tái sử dụng trong các lần in tiếp theo.