CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D 1.1 Công nghệ in 3d Cách đây khoảng 40 năm về trước, lần đầu tiên con người 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 lúc 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 chúng 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 là sản phẩm thật, vật thể thật, 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 hề biết đến.
Thế nào là in 3D? In 3D là in ấn ra một loại 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, hộp. thậm chí là một ngôi nhà,đầu người, đôi giày,. Đối với in 3D, cảm hứng sáng tạo là bất tận, chúng ta chỉ cần lên ý tưởng thì sẽ hoàn thành được nó. Mỗi công nghệ tạo mẫu có nhiều 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 kiếm và không gây hại đối với môi trường. Công nghệ tạo mẫu nhanh, kể từ khi ra đời cho đến nay đã được cải tiến và phát triển rất nhiều. Rất nhiều phương pháp và công nghệ tạo mẫu ra đời như FDM (Fused Deposition Modeling, SLS (Selective Laser Sintering), SLA (Selective Laser 3 Sintering)… Mỗi công nghệ tạo mẫu có những ưu điểm riêng biệt 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 kiếm và không gây hại đối với môi trường.
4 Công nghệ in 3D là xu hướng của tương lai! Công nghệ in 3D có những đặc điểm nào 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 thể tạo ra sản phẩm nhanh chóng và chính xác. “Nhanh” ở đây chỉ là một giới hạn tương đối. In 3D 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 thấy 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 hoàn thành 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 để đưa ra thị trường những sản phẩm mới. Ưu điểm đặc biệt thứ 2: In 3D có thể tạo ra các sản phẩm chi tiết, phức tạp. Ví dụ ta có thể chế tạo được cái tay 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 Thua kém.
Vật liệu in ban đầu chủ yếu là bột kim loại hay bột sứ, nhựa dẻo, 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 ABS, PETG, Flexible, PLA, Wood, giấy, bột, kim loại, polymer, 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.2 Lịch sử phát triển công nghệ in 3d Cơ chế hay tính chất của công nghệ. Thuật ngữ “in 3D” sẽ cho chúng ta hình dung về việc sử dụng máy in phun với đầu mực di động. Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau được sử dụng để chỉ công nghệ sản xuất đắp dần, quen thuộc nhất là Công nghệ in 3D, bên cạnh những tên gọi khác như làCông nghệ tạo mẫu nhanh, Công 4 nghệ chế tạo 5 nhanh và Công nghệ chế tạo trực tiếp.
Như vậy, hầu hết các thuật ngữ trên 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 các văn phòng. Trên thực tế thì công nghệ sản xuất đắp dần cũng có thể hoạt động gần giống 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 cho ra một khái niệm cụ thể 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 trái ngược so với các phương pháp cắt gọt hoặc còn được gọi là phương pháp gia công, mài giũa nguyên liệu nguyên khối, bằng cách loại bỏ, cắt gọt đi một phần nguyên liệu, để cho ra được sản phẩm cuối cùng.
Còn với sản xuất đắp dần, có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay ép khuôn, nhưng từ nhiều nguồn nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối cùng. Công nghệ sản xuất đắp dần đã ra đời đã được 30 năm nay. Năm 1986, Charles Hull [1, 2, 3, 23] 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 ra công ty 3DSystems, một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất trên thế giới hiện nay trong lĩnh vực sản xuất đắp dần.
Nếu lập biểu thời gian thì ta có thể thấy công nghệ này phát triển theo một biểu đồ logarit. Từ 1986 đến 2007, trong khoảng 20 năm đầu tiên, công nghệ này mới chỉ có các bước tiến nhỏ, chậm, đây được gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền tạo ra công nghệ tạo mẫu nhanh sau này. Tuy nhiên đến năm 2009, đã có một sự biến đổi lớn trên thị trường, rất 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, đã 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 hạn, 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 của các máy sản xuất đắp dần được tiêu thụ trên khắp thế giới hiện nay. Ngoài ra, đến năm 2014, các bằng sáng chế cho công nghệ Nung kết sử dụng laser cũng bắt đầu hết hạn, tạo cơ hội cho những sáng 6 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 nói trên trong tương lai rất gần. Năm 2013, ngành công nghệ sản xuất đắp dần có giá trị giá khoảng 3,1 tỷ USD/năm, và tăng 35% so với năm 2012.
Trong vòng nhiều 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 1.3 Tình hình công nghệ in 3d một số nước trên thế giới Công nghệ in 3D được xem là một trong những công nghệ in tiềm năng và tiên tiến nhất hiện nay, công nghệ này đang phát triển và ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở hầu hết các lình vực, từ công nghiệp sản xuất đến xây dựng, y tế và giáo dục, nghệ thuật…In 3D đã có mặt ở hầu hết các hoạt động kinh tế-xã hội trên toàn thế giới. Đa số sự phát triển của công nghệ in 3D được ứng dụng và phát triển tại 5 quốc gia: Mỹ, Trung quốc, Nhật Bản, Đức, Anh. 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 7 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.
Hiện nay, in 3D được ứng dụng tại nhiều thành phố tại Mỹ, cụ thể là xây dựng tòa nhà cao tầng chỉ mất khoảng 330 giờ để hình thành bởi máy in 3D Hình 1. 2 Ngôi nhà đầu tiên được hoàn thiện bằng công nghệ in 3D tại Wolf Ranch-Mỹ 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.
3 Đập thủy điện Dương Khúc - Trung Quốc xây dựng bằng công nghệ in 3D 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. Vào năm 2023, quy mô thị trường in 3D dự kiến sẽ tăng từ 0,59 tỷ USD lên 1,03 tỷ USD vào năm 2028, với tốc độ CAGR là 11.70 % trong giai đoạn dự báo ( 2023- 2028). 4 Qui mô thị trường in 3D Vương Quốc Anh Ở Nhật Bản (NB): 2014, NB dành khoảng 44 triệu USD trong ngân sách để hỗ 9 trợ hoạt động nghiên cứu, phát triển công nghệ 3D.