mở đầu tiên ra đời. Năm 2010: Urbee – chiếc xe hơi nguyên mẫu đầu tiên được giới thiệu, đây là chiếc xe đầu tiên trên thế giới mà toàn bộ phần vỏ được in ra từ máy in 3D. Tất cả các bộ phận bên ngoài, kể cả kính chắc gió đều được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn của Stratasys. Năm 2010: Organovo Inc, một công ty y học học tái tạo nghiên cứu trong lĩnh vực in 3D sinh học đã công bố việc chế tạo ra hoàn chỉnh mạch máu đầu tiên hoàn toàn bằng công nghệ in 3D.
Năm 2012: Thương mai hóa máy in 3D cá nhân đầu tiên. Năm 2014: Các bằng sáng chế cho công nghệ “Thiêu kết laser chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS), cũng bắt đầu hết hạn bảo hộ, tạo cơ hội cho những sáng chế mới phát triển hơn nữa ngành sản xuất đắp dần, mở đường cho một thời kỳ phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này trong tương lai gần. Khái niệm Tạp chí The Engineer của Anh định nghĩa: In 3D là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều. Trong in ấn 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể.
Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu điện tử khác. Máy in 3D là một loại robot công nghiệp. 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 Bài 1.Giới thiệu tổng quan về công nghệ in 3D 4 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 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. “In 3D” chỉ việc sử dụng “máy in phun” với “đầu mực” di chuyển để chế tạo ra các sản phẩm hoàn thiện. Trên thực tế thì công nghệ sản xuất đắp dần cũng có thể hoạt động tương tự như vậy, nhưng nó còn có những quá trình, kỹ thuật tiến bộ hơn. In 3D trong gốc của thuật ngữ có ý nghĩa liên quan đến quá trình tuần tự các vật liệu tích lũy trong môi trường bột với đầu máy in phun.
Hiện nay, ý nghĩa của thuật ngữ này đã được mở rộng để bao gồm đa dạng hơn các kỹ thuật như các quy trình dự trên phun ra và thiêu kết. Các quy trình thiết kế sản phẩm in 3D - Quy trình thuận: thiết kế sản phẩm mẫu bằng các phần mềm thiết kế vật thể 3D, sau đó chuyển file này thành file in để nhập vào máy in 3D và máy chạy sản xuất ra các vật thể 3D. Các vật thể 3D trong quy trình thuận là sản phẩm mới hoàn toàn. - Quy trình ngược: sử dụng máy quét 3D để quét các vật thể thật ngoài thực tế, sau đó file quét 3D được xử lý và chuyển file cung cấp cho máy in 3D, máy in 3D sản xuất ra sản phẩm (vật thể 3D) giống hoàn toàn 100% với vật thể đã quét.
Công nghệ này được dùng để tái tạo các vật thể cần được bảo tồn hoặc nhân bản như: tượng, chi tiết nhà cửa, chi tiết công cụ, máy móc, các món đồ quý giá bị sức mẻ một phần,… II. Các công nghệ in 3D và ứng dụng liên quan Các công nghệ in 3D chính bao gồm: “Thiêu kết laser chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS), “Thiêu kết laser 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 – SLA) và “In phun sinh học” (Inkjet bioprinting). Trong mọi trường hợp, các đối tượng được tạo thành từ một lớp tại một thời điểm cho đến khi lớp cuối cùng của đối tượng được hoàn thành. Với một số công nghệ được thực hiện bằng cách nóng chảy vật liệu và lắng đọng vật liệu trong các lớp, trong khi các công nghệ khác kiên cố hóa vật liệu trong mỗi lớp bằng cách sử dụng laser.
Trong trường hợp in phun sinh học, một sự kết hợp của vật liệu khung đỡ và các tế bào sống được phun.Giới thiệu tổng quan về công nghệ in 3D 5 Hình 1. Máy in 3D Delta, máy in 3D Mini, máy in 3D NANO Ngày nay, in 3D có thể tạo ra đồ vật từ nhiều loại vật liệu, bao gồm nhựa, kim loại, gốm sứ, thủy tinh, giấy, và thậm chí cả tế bào sống. Các vật liệu này có thể dưới dạng bột, dây tóc, chất lỏng hoặc tấm. Với một số kỹ thuật, một vật đơn giản có thể được in bằng nhiều vật liệu và màu sắc, và một tác vụ in đơn lẻ thậm chí có thể tạo ra các bộ phận chuyển động kết nối (như bản lề, liên kết chuỗi hoặc lưới).
Công nghệ SLS SLS (Selective Laser Sintering) là công nghệ dùng tia laser công suất cao để nung nóng vật liệu bột (thủy tinh, gốm sứ, thạch cao, kim loại,…) đến dưới nhiệt độ nóng chảy nhằm thiêu kết và hợp nhất các hạt bột vật liệu lại với nhau, tạo thành một khối rắn dạng xốp. Ngoài ra còn có công nghệ SLM tương tự SLS nhưng sử dụng nguồn laser có cường độ mạnh hơn để làm nóng chảy hoàn toàn bột kim loại và kết dính chúng lại với nhau thành một khối rắn đồng nhất.Giới thiệu tổng quan về công nghệ in 3D 6 1. Nguyên lý hoạt động của công nghệ SLS Hình 1. Nguyên lý công nghệ SLS Công nghệ SLS chế tạo sản phẩm bằng cách thiêu kết làm kết dính các hạt vật liệu dưới tác dụng của tia laser.
Đầu tiên, một lớp vật liệu bột mỏng được trải trực tiếp trên bàn máy. Sau đó, năng lượng tia laser sẽ kết dính phần vật liệu nằm trong biên dạng của mặt cắt sản phẩm mà nó tiếp xúc. Quá trình kết dính hoạt động tương tự như quá trình quang hóa trong công nghệ sử dụng vật liệu lỏng. Sau khi xong một lớp, hệ thống cấp liệu được hạ xuống một khoảng bằng độ dày lớp kế tiếp, đưa nguyên liệu bột vào vị trí làm việc và quá trình này sẽ lặp đi lặp lại nhiều lần đến khi hoàn thành sản phẩm.
Trong quá trình làm việc, những vật liệu không thuộc biên dạng mặt cắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành sản phẩm. Những sản phẩm được chế tạo bằng công nghệ SLS có độ nhám tương đối cao, xuất hiện lỗ hổng trên bề mặt, sau đó sản phẩm được xử lý bằng các phương pháp gia công tinh khác. Quy trình chế tạo sản phẩm bằng công nghệ SLS - Bước 1: Sử dụng các phần mềm chuyên dùng cho công nghệ in 3D để tạo các mô hình 3 chiều ở định dạng STL, chia lưới, cắt lớp, cài đặt các thông số quá trình và tạo ra các mã G-codes tương ứng. - Bước 2: Chuyển dữ liệu G-codes vào máy in 3D để chế tạo sản phẩm.
Máy sẽ tạo một lớp đầu tiên bằng cách trải vật liệu và tiến hành gia nhiệt. Vật liệu bột thừa sau khi tạo lớp sẽ được đưa trở về thùng chứa. - Bước 3: Tia laser sẽ thiêu kết các vùng vật liệu theo biên dạng mặt cắt của sản phẩm.Giới thiệu tổng quan về công nghệ in 3D 7 - Bước 4: Khi lớp thứ nhất đã hoàn thành thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấp vào vị trí làm việc bằng con lăn hoặc dao gạt để chuẩn bị cho quá trình tạo lớp thứ hai. - Bước 5: Bước 3 và bước 4 được lặp lại cho đến khi sản phẩm được hoàn chỉnh.
Sau khi quá trình kết thúc, sản phẩm được lấy ra khỏi thiết bị và có thể sử dụng phương pháp xử lý như phun cát hoặc đánh bóng tùy từng ứng dụng của sản phẩm. Ưu, nhược điểm của công nghệ SLS Ưu điểm: - Công nghệ SLS là công nghệ duy nhất trong tất cả các công nghệ in 3D cho phép tạo ra các sản phẩm có tính hóa học và vật lý tương đương vật liệu gốc. Các ứng dụng chịu nhiệt cao và không phản ứng với hóa chất. - Công nghệ SLS không đòi hỏi cấu trúc vật liệu đỡ như nhiều công nghệ in 3D khác mà sử dụng chính phần bột không thiêu kết để đỡ phụ trong toàn bộ quá trình in giúp tiết kiệm chi phí vật liệu và cho phép in nhanh hơn.
- Tốc độ in nhanh hơn 5 – 10 lần, chi phí in thấp hơn 7 lần so với tất cả các công nghệ khác. - Công nghệ SLS in được nhiều sản phẩm trong cùng một lần. - Vật liệu dùng cho công nghệ SLS có cơ tính tốt nhất trong tất cả các loại vật liệu, chịu được nhiệt độ, môi trường, tác động vật lý, tác động hóa học,…rất tốt cho ứng dụng đúc bằng khuôn thạch cao. - Vật liệu thừa sau in có thể được thu gom trở lại và tái sử dụng cho các lần in tiếp theo.
Nhược điểm: - Giá thiết bị và vật liệu khá đắt. - Với các mô hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật liệu khá lớn vì không lấy ra được. - Công nghệ này đòi hỏi cung cấp nguồn năng lượng lớn trong quá trình in vì phải sử dụng laser để thiêu kết vật liệu. Vật liệu sử dụng trong công nghệ SLS Máy in 3D SLS có thể sử dụng nhiều loại vật liệu dạng bột, nhưng hầu hết chúng là các polyamit (điển hình là Nylon PA12) có thể trộn thêm các chất phụ gia để thay đổi các đặc tính sản phẩm như màu sắc, độ bền, tính linh hoạt, độ cứng…Một ví dụ điển hình chính là vật liệu Nylon, một chất liệu nhựa nhiệt dẻo có độ bền và khả năng chống mài mòn cao.
Ngoài ra, công nghệ SLS thường sử dụng những vật liệu ở dạng bột khác như: thủy tinh, nylon, sáp, bột kim loại (copper polyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic), glass filled nylon, vật liệu đàn hồi (elastomer), polycacbonate (PC), bột gốm sứ,… 1.