CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất cộng (Additive Manufacture: AM) Công nghệ sản xuất cộng AM còn được gọi là in 3D, để chế tạo các bộ phận thông qua mô hình 3D được tạo bằng CAD, bằng cách thêm các lớp vật liệu đơn lẻ và kết hợp các lớp lại với nhau. Quá trình tạo ra vật thể trong không gian 3 chiều, vật liệu sẽ được đắp lên bằng cách thêm từng lớp vật liệu, cho dù vật liệu đó là nhựa, kim loại, bê tông hay compozit… và hình thành dưới sự điều khiển của máy tính. Công nghệ in 3D xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1987, còn được biết đến với tên gọi “công nghệ sản xuất đắp dần” [1], đã trở thành xu hướng công nghệ quan trọng trên thế giới và là một trong những công nghệ chủ chốt của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Theo các chuyên gia, đây cũng chính là “chìa khoá” công nghệ cho tương lai mà bất cứ doanh nghiệp nào, ngành công nghiệp sản xuất nào và bất cứ quốc gia nào đều phải chú ý.
Theo 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 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. Hiện nay, các ứng dụng của công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển rộng rãi, nó thâm nhập sâu vào tất cả các lĩnh vực công nghiệp vĩ mô như hàng không, vũ trụ đến các ngành cơ bản như y tế, giáo dục, xây dựng, kiến trúc, nghệ thuật và thời trang.
Cụ thể, trong ngành công nghiệp điện tử, máy in 3D đã 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. Trong công nghiệp sản xuất, máy in 3D được sử dụng ngày càng rộng rãi, nhờ khả năng sản xuất các mô hình có hình dạng phức tạp, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm theo yêu cầu. 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 công nghiệp ô tô, 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.
Thậm chí, người ta đã ứng dụng công nghệ in 3D để sản xuất ra những chiếc xe hoàn chỉnh. 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 y, bác sỹ. Đặc biệt, với in 3D các mô sinh học (Bioprinting), người ta còn kỳ 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.
Trong giáo dục, in 3D có những ứng dụng rất thiết thực, đặc biệt liên quan đến các môn học khoa học, công nghệ, kỹ thuật và kỹ năng toán học. Tại Việt Nam, công nghệ in 3D xuất hiện từ năm 2003 và chủ yếu được ứng dụng trong nghiên cứu (do chi phí cao), đến nay, công nghệ này đã có mặt ở khá 3 nhiều lĩnh vực như y khoa, kiến trúc, mỹ nghệ, thời trang, cơ khí, giáo dục. các công ty in 3D ở Việt Nam phần lớn phải nhập khẩu thiết bị, do trong nước mới chỉ chế tạo được các máy CNC (máy gia công từ hình 3D trên máy tính) và máy in 3D có độ chính xác thấp, in các vật thể có kích thước nhỏ hoặc không quá lớn. Nguyên liệu in 3D cũng chưa tự sản xuất được, chủ yếu nhập khẩu từ Trung Quốc.
Một loạt các công nghệ in 3D được sử dụng ngày nay, mỗi loại đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng”- Fused Deposition Modeling (FDM) và “Tạo hình nhờ tia laser”-Stereolithography (SLA) cùng một số ít Digital Light Processing (DLP) là các công nghệ thường được sử dụng. Trong đó, FDM là công nghệ phổ biến nhất. SLA và DLP là nhóm công nghệ in 3D có thể tạo ra các mô hình vật thể có độ chi tiết cao, sắc nét và chính xác nhưng đi đôi với nó là yêu cầu cao về máy móc, thiết bị và chi phí đắt đỏ của nguyên vật liệu.
Tại Việt nam hiện nay, nguồn nhân lực có trình độ cao, đảm bảo chất lượng, nắm vững công nghệ và thiết bị cũng như trình độ thiết kế, tạo mẫu trong nghiên cứu, ứng dụng, sản xuất và phát triển các sản phẩm từ công nghệ in 3D còn thiếu và yếu, cần phải đào tạo, bồi dưỡng liên tục. Công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” - Selective Laser Sintering (SLS) mặc dù tạo ra sản phẩm có độ chân thực nhất với độ bền cơ lý cao nhưng được sử dụng rất ít, mới chỉ có 1-2 doanh nghiệp (chủ yếu là doanh nghiệp FDI) đầu tư cho công nghệ này. Ngoài ra, một số phương pháp in 3D khác cũng được sử dụng là phương pháp nóng chảy bằng laze chọn lọc (Selective Laser Melting: SLM) với nguyên liệu in dạng bột; hoặc phương pháp liên kết lỏng trong in 3D (3DP); phương pháp in phun; phương pháp in phẳng không gian; phương pháp kết tụ bằng năng lượng trực tiếp (Direct Energy Deposition: DED); phương pháp in đối tượng phân lớp (Laminated Object Manufacturing: LOM). Hiện tại, một số viện nghiên cứu, Trường đại học của Việt Nam đã từng bước làm chủ các công nghệ in 3D trong nhiều lĩnh vực và nhiều loại nguyên vật liệu khác nhau.
Trong đó, Viện Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội đi tiên phong trong lĩnh vực thiết kế, gia công chế tạo nhựa PEEK và PMMA Polymethyl methacrylate y sinh ở Việt Nam, đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ in 3D để chế tạo sản phẩm phục vụ y tế và giáo dục (chế tạo ra các mảnh vá khuyết xương, bộ phận thay thế phục vụ cấy ghép trong y tế có chất lượng và đặc tính cao hơn, ưu việt hơn), đồng thời cung cấp dịch vụ thiết kế và in 3D giáo cụ phục vụ đào tạo STEM. Các nhà khoa học tại Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ in 3D trong in loại nhựa có pha kim loại… Trình độ về công nghệ và chất lượng các sản phẩm cũng tương đối cao, với dung sai về kích thước khoảng 50 µm (trong khi dung sai nhỏ nhất với máy SLS ứng dụng trên thế giới là khoảng 10 µm). Về nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy in 3D chúng ta mới chỉ có một số máy in ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa có điều kiện triển khai ứng dụng thử nghiệm trong thực tế sản xuất. Cụ thể, Viện Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội đã chế tạo được máy in chi tiết nhựa 3D-FDM, 3D-SLA, PEEK, 3D-DLP ứng dụng trong y tế và giáo dục.
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi đã nghiên cứu chế tạo thành công máy in 3D sử dụng công nghệ FDM [2]. Sử dụng công nghệ in 3D có thể cung cấp nhiều lợi ích cho cả cá nhân và doanh nghiệp. Dưới đây là 6 lợi ích đáng kể mà công nghệ in 3D mang lại: 4 - Tốc độ sản xuất: Tạo mẫu in 3D chỉ vài ngày hoặc thậm chí là chỉ vài giờ. Trong khi đó, việc tiến hành thử nghiệm ý tưởng và thiết kế với các phương pháp sản xuất thông thường sẽ mất nhiều ngày, có khi lên đến vài tuần.
- Dễ dàng tiếp cận & ứng dụng: In 3D đã mang lại những phần mềm và phần cứng dễ sử dụng hơn cho người tiêu dùng. Các doanh nghiệp sẽ dễ dàng để tìm hiểu và kết hợp công nghệ in 3D, để đưa vào quy trình sản xuất của mình chỉ trong vài ngày. - Chất lượng mẫu thử: sự đa dạng về vật liệu, thời gian sản xuất nhanh chóng cùng các thiết kế đa dạng có thể được chỉnh sửa dễ dàng, sẽ mang đến những mẫu thử chất lượng cao. - Tiết kiệm chi phí: Chi phí nhân công đóng vai trò lớn trong xác định số tiền đầu tư để phát triển một mẫu thử.
Đối với phương pháp tạo mẫu truyền thống ngoài việc gia công dụng cụ cũng đòi hỏi rất nhiều sức lao động của con người và kinh nghiệm vận hành máy. - Thiết kế sáng tạo và tự do tùy biến: cho phép cá nhân hóa, giúp tạo nên sản phẩm đáp ứng yêu cầu riêng biệt từ khách hàng. Ví dụ, sử dụng in 3D để tạo ra một hàm răng giả có thiết kế chính xác, vừa khít với khuôn hàm của bệnh nhân. - Hạn chế rác thải: In 3D chỉ sử dụng vật liệu cần thiết để tạo ra một phần mẫu thử nên không gây ra lãng phí nguyên liệu.
Ngoài ra, việc sử dụng lại các tài liệu từ bản in 3D trước đó cũng khá đơn giản. Từ đó mà sản xuất bồi đắp tạo ra rất ít chất thải và tiết kiệm cho công ty rất nhiều tài nguyên và nguồn vốn. Việc ứng dụng công nghệ in 3D đã mang lại nhiều lợi ích trong sản xuất, tuy nhiên công nghệ in 3D vẫn còn một số những khó khăn trong áp dụng và triển khai: - Giá thành đầu tư ban đầu: Việc ứng dụng công nghệ mới đồng nghĩa với giá thành cao trong khâu đầu tư ban đầu. Bên cạnh đó, việc thay đổi mô hình sản xuất có thể dẫn đến lãng phí về dây chuyền cũ.
- Hạn chế về vật liệu đầu vào: Công nghệ in 3D ở thời điểm hiện tại hầu hết vẫn chỉ giới hạn ở vật liệu như nhựa resin. Một số ngành như chế tác gỗ, kim loại vẫn chưa phổ biến hay sẵn sàng các vật liệu phù hợp để phục vụ in 3D.