CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Máy in 3d là gì? Máy in 3D là một thiết bị tạo ra đối tượng 3 chiều. Giống như những máy in truyền thống khác, máy in 3D nhận dữ liệu dạng số từ máy tính làm đầu vào. Tuy nhiên thay vì in ra giấy, máy in 3D xây dựng tạo mô hình ba chiều theo vật liệu tùy chỉnh.
Quá trình in mô hình 3D sẽ khác nhau tùy thuộc vào chất liệu sử dụng để tạo ra các đối tượng. In 3D đã có từ những năm 1980, nó được sử dụng chủ yếu cho mục đích công nghiệp quy mô lớn. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, máy in 3D đã rẻ hơn nhiều và được thương mại hóa có trên thị trường. Khi công nghệ trở nên tiên tiến hơn, máy in 3D có thể trở thành một công cụ hiệu quả được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Công nghệ in 3D là xu hướng của tương lai với các ưu điểm: – Ưu điểm đầu tiên: Công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ này có sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện, thông thường để tạo ra một sản phẩm mới cũng mất từ 3-72 giờ phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm. Chính vì cần ít thời gian 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 thứ hai là công nghệ in 3D có thể tạo ra một vật thể với đầy đủ các bô phận cả bên trong lẩn bên ngoài một cách chi tiết chỉ trong một lần thực hiện mà các phương pháp gia công truyền thống không thể chế tạo được… Hình 1. [3]Công nghệ in 3D trên thế giới Công nghệ in 3D đang là một xu hướng phát triển mới của khoa học kỹ thuật.
2 Luan van Nhờ công nghệ in 3D, ta có thể tạo ra những đồ vật với giá thành rẻ hơn và thời gian nhanh hơn rất nhiều. Ứng dụng của công nghệ in 3D rất rộng rãi từ xây dựng, thời trang, y học đến các ngành công nghiệp sản xuất như ô tô, máy bay… Ví dụ: MX3D công ty ở Hà Lan đã xây thành công cầu đi bộ bằng công nghệ phun thép nóng chảy trong không khí với kết cấu vô cùng phức tạp, từ nhiều góc độ nhờ cánh tay robot đa trục. Việc xây dựng cây cầu bằng công nghệ in 3D là sản phẩm chứng minh cho khả năng vô tận của kỹ thuật này.2: Tòa nhà được làm bằng công nghệ in 3D tại dubai 3. [2] Công nghệ in 3D tại Việt Nam Công nghệ in 3D tại Việt Nam đã có mặt khoảng năm 2003, tuy nhiên do giá thành còn cao nên vẩn chưa được ứng dụng nhiều, chủ yếu trong công tác nghiên cứu.
Hiện nay, công nghệ in 3D đã được ứng dụng rộng rãi phổ biến hơn trong nhiều lĩnh vực. Một ứng dụng cụ thể, nổi bật của công nghệ in 3D tại Việt Nam là đã vá được đầu người. Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện, sản phẩm cuối cùng là mảnh sọ nhân tạo bằng vật liệu methyl methacrylate được vá vào chổ vở của sọ bệnh nhân. Sau thời gian theo dõi, đến nay bệnh viện khẳng định miếng ghép rất tốt, bệnh nhân đã bình phục.
Phẩu thuật bằng phương pháp này đánh dấu một bước ngoặt của công nghệ in 3D với thị trường công nghệ tại Việt Nam. Rút ngắn thời gian phẩu thuật và điểu trị, độ thẩm mỹ cao, đặc biệt giảm đáng kể chi phí ca mổ. 3 Luan van Hình 1.3: Ứng dụng in 3D vào y tế tại Việt Nam 4. Công nghệ in 3D trong tương lai Hàng ngàn ngành công nghiệp từ xe hơi và không gian vũ trụ đến công nghiệp da giày và nữ trang, đã ứng dụng công nghệ in 3D để tạo ra các sản phẩm.
Trong tương lai trong ngành y tế sẽ được ứng dụng rộng rãi để sản xuất ra các cơ quan, bộ phận thay thế, hoặc sản xuất các loại thuốc. Công nghệ này rất hiệu quả khi sử dụng để sản xuất các loại hàng hóa có số lượng ít nhưng công dụng cao như linh kiến máy bay các bộ phận trên cơ thể con người. Công nghệ in 3D đang phát triển với đầy triển vọng, đó là công nghệ của tương lai, biến tất cả ý tưởng của con người thành hiện thực. 4 Luan van CHƯƠNG II: CÁC BƯỚC PHÁT TRIỂN CỦA TẠO MẪU VÀ CÁC CÔNG NGHỆ IN 3D 2.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh 2.1 Khái niệm: Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototying Technology - RPT) là phương pháp chế tạo vật thể thật một cách tự động từ nguồn dữ liệu được thiết kế trên máy tính bằng phương pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp, với tốc độ nhanh hơn nhiều so với các phương pháp gia công chế tạo thông thường.
Những chiếc máy in 3 chiều này cho phép người thiết kế có thể nhanh chóng tạo ra một thực thể chi tiết hay mô hình đúng như thiết kế của họ. Sự phát triển của tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết với sự phát triển ứng dụng của máy tính trong công nghiệp. Việc gia tăng sử dụng máy tính đã thúc đẩy sự tiến bộ trong nhiều lĩnh vực liên quan đến máy tính bao gồm: – Thiết kế (CAD – Computer Aided Design) – Chế tạo (CAM– Computer Aided Manufacturing). – Điều khiển số nhờ máy tính (CNC – Computer Numerical Control).
*Một số khái niệm về tạo mẫu nhanh được đưa ra từ các giáo sư trên thế giới: – Fritz Kloeke – Giáo sư đại học Aechen: Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu theo từng lớp trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D và là quá trình tạo mẫu không cần dùng khuôn và dụng cụ. – Chris Zhang – Giáo sư đại học Saskatchewan: Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu theo nguyên tắc bồi đắp vật liệu. – Tery Wohler – Chủ tịch hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới: Tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế 3D trên máy tính hoặc từ dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI hoặc từ dữ liệu của các thiết bị số hóa 3D.2 Ba thời kì của quá trình tạo mẫu Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kì. Hai thời kì sau chỉ mời ra đời trong khoảng 20 năm trở lại đây.
Tương tự quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kì thứ ba. *Thời kì đầu: Tạo mẫu bằng tay: Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình không có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần. Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng nhọc.
5 Luan van Hình 2.1: Thời kỳ tạo mẫu bằng tay **Thời kì thứ hai: Sử dụng phần mềm tạo mẫu (tạo mẫu ảo). Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70. Thời kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến.
Phần mềm tạo mẫu sẽ phác họa trên máy vi tính những suy nghĩ, ý tưởng mới. Các mẫu này như là một mô hình vật lý: Được kiểm tra, phân tích cũng như đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù ho nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Thí dụ như phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán chính xác được bởi vì có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu. Hơn nữa, các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu.
Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng các máy gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu. Cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, có sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo. Tuy nhiên, vẫn còn tranh cãi về những giới hạn của công nghệ tạo mẫu nhanh như: Sự giới hạn về vật liệu (hoặc bởi vì chi phí cao hoặc cách sử dụng cho từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết), tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được tính đến.
6 Luan van Hình 2.2: Phần mềm tạo mẫu nhanh hay tạo mẫu ảo ***Thời kì thứ ba: công nghệ tạo mẫu nhanh. Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ sản xuất lớp. Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba. Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng.
Thời kỳ thứ ba cũng là thời kỳ bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ và kinh tế thế giới. Vào thời điểm này số lượng các nhà sản xuất, công ty, doanh nghiệp tăng lên không ngừng, tạo ra môi trường cạnh tranh vô cùng quyết liệt. Việc đưa ra một sản phẩm mới ra thị trường nhanh hơn các đối thủ đã trở nên quan trọng nếu không nói đó là vấn đề sống còn. Khi một sản phẩm mới ra đời nó phải trải qua rất nhiều công đoạn bao gồm thiết kế, chế tạo, kiểm tra và tiếp thị.
Để đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng thì thời gian và chi phí cho từng giai đoạn phải được rút ngắn triệt để. Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu nhanh đã được nghiên cứu.3: Tạo mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh.3 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh – Thập niên 1980s: Khái niệm về in 3D được nhen nhóm bắt đầu từ năm 1976, thời điểm máy in phun được phát minh. Bởi vì đến năm 1984, các cải tiến và tiến bộ mới đối với đầu in phun đã giúp đưa công nghệ từ chỗ chỉ in được mực đến in được cả các chất liệu khác. Trong những thập kỷ sau đó, các ứng dụng của công nghệ in 3D đã không ngừng phát triển thông qua các ngành công nghiệp khác nhau, từ cơ khí, ô tô, hàng không, y học, sản xuất đến thiết kế trang sức.
– Năm 1984 đánh dấu sự ra đời chính thức của công nghệ in 3D mà cha đẻ là kỹ sư Charles Hull, người sẽ trở thành đồng sáng lập công ty 3D Systems sau này, người phát minh ra công nghệ Stereolithography huyền thoại, cho phép in những vật thể 3D phức tạp với độ chính xác cao từ dữ liệu số.