CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ in 3d Cách đây khoảng 40 năm về trước, những ai lần đầu tiên nghe tiếng phát ra trên radio, nhìn thấy hình mình trên 1 tấm giấy, hay xem những con người bé tí chạy nhảy trong chiếc hộp vuông thì ta đã thấy công nghệ đó thật hiện đại.Ngày nay khoa học công nghệ phát triển vượt bậc, đi bất cứ đâu chúng ta cũng nghe thấy TV 3D, phim 3D, âm thanh 3D, Hình 3D. Tất cả những cụm từ trên dùng để chỉ những công nghệ tạo ảo giác hình khối lên thị giác và thính giác của con người, nhằm mô phỏng lại những gì ta có thể thấy và nghe được. Nhưng 3D trong công nghệ in 3D là một định nghĩa hoàn toàn khác với 3D mang tính mô phỏng mà ta đã nói như ở trên. In 3D ở đây sản phẩm thật, vật thể thật mà ta có thể cầm trên tay, quan sát một cách chính xác, 3D ở đây là mọi thứ xung quanh ta, mà từ nguyên thủy đến hiện nay ta vẫn tiếp xúc hàng ngày, quá quen thuộc mà ta chẳng gọi nó là 3D làm gì.
Thế nào là in 3D? In 3D là in ấn ra một vật thể theo không gian ba chiều (Dài-Rộng-Cao) mà ta có thể cầm nắm, quan sát hay sử dụng nó như: mô hình xe hơi, máy bay, lọ hoa, giày, quần áo. thậm chí là một ngôi nhà, đôi giày, cái chụp đèn ngủ. Đối với in 3D, cảm hứng sáng tạo là vô tận, tất cả những gì bạn cần là một ý tưởng tuyệt vời [1]. Công nghệ bồi đắp vật liệu (AM) đang được chú tâm bởi những lợi ích nó mang lại vô cùng to lớn.
Nó có thể chế tạo sản phẩm một cách nhanh chóng với chi phí và thời gian được giảm đáng kể so với các công nghệ truyền thống. Từ dữ liệu thiết kế 3D trên máy tính (CAD – Computer Aided Design), các thiết bị AM tạo thành sản phẩm theo nguyên lý bồi đắp vật liệu theo từng lớp, lớp sau chồng lên lớp trước cho đến khi hoàn tất quá trình. Với nguyên lý trên, công nghệ AM có thể tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể chế tạo được [4]. Mỗi công nghệ tạo mẫu có những ưu điểm riêng của nó.
Trong đó, công nghệ FDM là một trong những công nghệ phổ biến nhất do giá thành rẻ và sử dụng các loại vật liệu thông dụng, dễ tìm và thân thiện đối với môi trường. Công nghệ tạo mẫu nhanh, từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến và phát triển rất nhiều. Hàng loạt phương pháp và công nghệ tạo mẫu ra đời như FDM (Fused Deposition Modeling, SLS (Selective Laser Sintering), SLA (Selective Laser 2 Luan van Sintering)… Mỗi công nghệ tạo mẫu có những ưu điểm riêng của nó. Trong đó, công nghệ FDM là một trong những công nghệ phổ biến nhất do giá thành rẻ và sử dụng các loại vật liệu thông dụng, dễ tìm và thân thiện đối với môi trường.
Công nghệ in 3D xu hướng của tương lai! Công nghệ in 3D có những đặc điểm gì khiến các chuyên gia đánh giá đây là xu hướng phát triển đầy mạnh mẽ trong thời gian tới, xu hướng của tương lai? Ưu điểm đầu tiên: Đúng như tên gọi của nó: công nghệ tạo mẫu nhanh công nghệ này có sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện. “Nhanh” ở đây cũng chỉ là một giới hạn tương đối. Thông thường, để tạo ra một sản phẩm mới mất khoảng từ 3-72 giờ, phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm. Có thể bạn cho rằng khoảng thời gian này có vẻ chậm, nhưng so với thời gian mà các công nghệ chế tạo truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng để tạo ra một sản phẩm thì nó nhanh hơn rất nhiều.
Chính vì cần ít thời gian hơn để tạo ra sản phẩm nên các công ty sản xuất tiết kiệm được chi phí, nhanh chóng đưa ra thị trường những sản phẩm mới. Ưu điểm đặc biệt thứ 2: ví dụ ta có thể chế tạo được cái đầu người với đầy đủ bộ phận cả bên trong lẫn bên ngoài một cách chi tiết chỉ trong một lần thực hiện mà các phương pháp truyền thống không thể chế tạo được. Cùng với sự phát triển của công nghệ và máy in 3D, sự phát triển của vật liệu in cũng không hề kém cạnh. Vật liệu in ban đầu chủ yếu là nhựa dẻo, bột kim loại hay bột sứ, nhưng với sự tìm hiểu nghiên cứu không ngừng nghỉ của con người, các vật liệu in ngày càng đa dạng.
Vật liệu in 3D: Có thể là nhựa PLA, ABS, PETG, Flexible, Wood, giấy, bột, polymer, kim loại, đặc biệt là socola, kem.các vật liệu này có đặc điểm là có sự kết dính với nhau để vật liệu lớp bên trên kết dính với lớp bên dưới được [1].2 Lịch sử phát triển công nghệ in 3d Cơ chế hay tính chất của công nghệ. Thuật ngữ “in 3D” sẽ cho người nghe hình dung về việc sử dụng máy in phun với đầu mực di động. Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau được dùng để chỉ công nghệ sản xuất đắp dần, quen thuộc nhất là Công nghệ in 3D, bên cạnh những tên khác như Công nghệ tạo mẫu nhanh, Công 3 Luan van nghệ chế tạo nhanh và Công nghệ chế tạo trực tiếp. Như vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra đời dựa trên chuyển trên giấy để tạo ra các sản phẩm hoàn thiện, giống như máy in bình thường hiện nay vẫn hay sử dụng tại văn phòng.
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, kĩ thuật tiến bộ hơn. Một cách cụ thể, Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials - ASTM) đã đưa ra một khái niệm rõ ràng về công nghệ 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 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.
Công nghệ sản xuất đắp dần ra đời đã được 30 năm nay. Năm 1986, Charles Hull [1, 2, 3, 23] sáng tạo ra một quá trình gọi là Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser. Sau đó, ông Hull thành lập công ty 3DSystems, một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực sản xuất đắp dần. Nếu lập biểu thời gian thì chúng ta sẽ thấy công nghệ này phát triển theo một biểu đồ logarit.
Từ 1986 đến 2007, trong 20 năm đầu tiên, công nghệ này mới chỉ có các bước đi nhỏ, chậm, đây được gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh. Tuy nhiên đến năm 2009, đã có một sự biến động lớn trên thị trường, nhiều bằng sáng chế về công nghệ này đã hết hạn bảo vệ bản quyền, trong đó có bằng sở hữu FDM. Quá trình Fuse Deposition Modelling (FDM) tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu rồi xếp đặt chồng lớp, vốn được sở hữu bởi hãng Stratasys, một trong những đối thủ cạnh tranh hàng đầu trong lĩnh vực. Khi bằng sáng chế về FDM hết giá trị, công nghệ này đã thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia.
Giá thành sản xuất giảm và FDM trở thành một trong những chìa khóa công nghệ cơ bản của các máy sản xuất đắp dần được tiêu thụ trên thị trường hiện nay. Ngoài ra, đến năm 2014, các bằng sáng chế cho công nghệ Nung kết sử dụng laser (Selective Laser Sintering-SLS) cũng bắt đầu hết hạn, tạo cơ hội cho những sáng chế mới phát triển hơn nữa ngành sản xuất đắp dần, mở đường cho một 4 Luan van thời kỳ phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này trong tương lai rất gần. Năm 2013, ngành công nghệ sản xuất đắp dần trị giá khoảng 3,1 tỷ USD/năm, tăng 35% so với năm 2012. Trong vòng sáu năm tới, tốc độ tăng trưởng trung bình được dự đoán ở mức cao, khoảng 32%/năm và đạt mức 21 tỷ USD vào năm 2020.1: Biểu đồ phát triển của công nghệ in 3D [23] 1.3 Tình hình công nghệ in 3d một số nước trên thế giới [23] Công nghệ in 3D rất được quan tâm bởi các nước trên thế giới.
Tăng cường trong sản xuất công nghiệp và giáo dục là chủ đề thu hút sự quan tâm của các nước với công nghệ này. Ở Mỹ: công nghệ in 3D có vai trò là tiềm năng cách mạng hóa trong phương pháp sản xuất ra hầu hết tất cả mọi thứ. Chính phủ Mỹ đã hỗ trợ công nghệ này từ nhiều thập kỷ trước. Năm 2012, NAMII được thành lập nhằm thúc đẩy công nghệ in 3D ở Mỹ.
Năm 2014, NAMII đầu tư 9 triệu USD cho việc nghiên cứu ứng dụng in 3D. Ngoài ra, quỹ khoa học quốc gia và bộ quốc phòng Mỹ rất quan tâm và đầu tư cho công nghệ in 3D. Ở Trung Quốc (TQ): năm 2012, TQ đã đưa công nghệ in 3D vào chương trình nghiên cứu và phát triển công nghệ cao quốc gia. Chính phủ TQ cấp 6,5 triệu USD nghiên cứu tập trung về in 3D.
6/2013, TQ cam kết đầu tư 245 triệu USD cho việc nghiên cứu in 3D. 5 Luan van Ở Anh: 6/2013 Anh hỗ trợ 13,9 triệu USD cho các công ty tư nhân để phát triển in 3D. 2014, Anh công bố thành lập trung tâm quốc gia in 3D với khoản đầu tư 25 triệu USD. Ở Nhật Bản (NB): 2014, NB dành khoảng 44 triệu USD trong ngân sách để hỗ trợ hoạt động nghiên cứu, phát triển công nghệ 3D.
Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở ngoài nước: Đề tài “Study on optimization of 3D printing parameters (Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số in 3D)” [26] Nhóm nghiên cứu bao gồm Junhui Wu và các cộng sự thực hiện. Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số in 3D. Tiến hành thử nghiệm thay đổi các thông số độ dày từng lớp in để xác định sự ảnh hưởng của thời gian in, tiêu hao vật liệu, và độ chính xác của mẫu in.