CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tình hình công nghệ in 3D Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials – ASTM) [1]. Công nghệ in 3D là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D bằng phương pháp chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau. Và quá trình này trái ngược với công nghệ cắt gọt truyền thống dùng trong quá trình chế tạo trước đây. Công nghệ in 3D áp dụng nguyên lý đắp chồng lớp để tạo sản phẩm.
Nó cho phép các nhà thiết kế có thể tạo ra các mẫu thí nghiệm vật lý chính xác từ mô hình 3D CAD chỉ trong vài giờ đồng hồ. Bên cạnh đó, Công nghệ in 3D cho phép các nhà thiết kế tự do sáng tạo các chi tiết có độ phức tạp cao với chi phí thấp hơn nhiều so với các phương khác [2]. Theo ATKearney, Công nghệ in 3D có những ưu điểm vượt trội so với công nghệ chế tạo cắt gọt truyền thống như sau: Bảng 1.1: So sánh giữa công nghệ in 3D và truyền thống Theo ATKearney, 3D Printing: A Manufacturing Revolution 1 Luan van Hiện nay, các ứng dụng của công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển rộng rãi, nó thâm nhập sâu từ 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 và thậm chí là cả ẩm thực, 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 của ngành công nghiệp này.
Trong công nghiệp thời trang: Đã có những show diễn mà ở đó người mẫu trình diễn các trang phục được sản xuất 100% bằng công nghệ in 3D. Trang sức và trang phục thiết kế theo yêu cầu cá nhân được sản xuất bằng công nghệ in 3D hiện nay đã trở nên khá phổ biến trên thế giới. Trong công nghiệp sản xuất: Đây là ngành sử dụng máy in 3D nhiều nhất. Lý do chính khiến công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong môi trường công nghiệp là do nó cho phép sản xuất các mô hình có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm theo yêu cầu.
Vì vậy, in 3D 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 một số trường hợp cụ thể. Trong công nghiệp ô tô: Công nghệ 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. Ngoài ra, người ta cũng đã dùng công nghệ in 3D để sản xuất ra những chiếc xe hoàn chỉnh. Trong ngành hàng không vũ trụ: Đã có công ty ứng dụng công nghệ in 3D trong việc sản xuất ra các bộ phận máy bay, đặc biệt là các bộ phận có hình dạng phức tạp.
Quan trọng hơn, người ta đang kỳ vọng rằng bằng cách đưa các máy in 3D ra ngoài không gian, các nhà du hành vụ trụ có thể tự sản xuất các bộ phận thay thế ngay khi cần thiết. Chỉ cần có máy in và vật liệu in ấn được dự trữ sẵn, khi có bất kỳ hỏng hóc gì trong các chuyến du hành vũ trụ, nhà du hành có thể nhận file thiết kế từ trái đất chuyển lên và trực tiếp in ra các bộ phận thay thế ở ngoài không gian. 2 Luan van Trong công nghiệp quốc phòng: Ngành công nghiệp quốc phòng sử dụng in 3D cho các mục đích sản xuất đặc biệt và tiết kiệm chi phí. Hiện nay, các máy in 3D kim loại dùng để sản xuất súng đã ra đời.
Trong công nghiệp thực phẩm: Đã có nhiều công ty chuyên về ứng dụng công nghệ in 3D trong thực phẩm được thành lập. Người ta có thể thiết kế các món ăn như socola hay bánh kẹo thành những hình dạng đẹp mắt và cầu kỳ, sau đó sử dụng các nguyên liệu thực phẩm ở dạng lỏng hoặc dạng bột để in thành món ăn theo những hình dạng đã được thiết kế. 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 sĩ.
Đặc biệt, với Bioprinting (in 3D các mô sinh học), 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 (như ghép da, ghép thận, ghép tim,…). Trong giáo dục: In 3D cũng 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. Sinh viên có thể thiết kế và sản xuất các sản phẩm trong lớp học và có cơ hội thử nghiệm các ý tưởng, vừa học vừa làm với máy in 3D[3]. Cách làm này làm tăng hứng khởi học tập, làm việc theo nhóm, tương tác trong lớp học cũng như hỗ trợ khả năng sáng tạo, kỹ năng máy tính, và khả năng tư duy ba chiều của sinh viên.
Trong kiến trúc và xây dựng: Kiến trúc và xây dựng dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng các máy in 3D khổng lồ. Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tông và cát. Phương pháp in 3D trong xây dựng có thể mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt là trong chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động môi trường. Ngoài ra, người ta cũng dùng công nghệ in 3D để in ra các mô hình kiến trúc, các thiết kế căn hộ để phục vụ cho việc 3 Luan van trưng bày hoặc kiểm tra lại thiết kế.
Trong gia đình: Máy in 3D để bàn cho phép bạn sản xuất bất cứ thứ gì bạn muốn ngay trong căn nhà riêng của mình, tất nhiên là với kích thước phù hợp với máy in và các nguyên liệu có thể có. Các vật dụng yêu thích như đồ chơi, đồ dùng và đồ vật trang trí là những ứng dụng phổ biến nhất. Nhờ máy in 3D để bàn, mỗi người có thể tự thiết kế và sản xuất vật dụng theo yêu cầu riêng biệt, làm nên cá tính của bản thân. Có thể nói công nghệ in 3D giúp con người vượt qua được mọi giới hạn trong sản xuất.
Đây được xem là công nghệ có thể thay đổi cách thức mà thế giới này vận hành.2 Phân loại các thiết bị công nghệ in 3D tại Việt Nam và trên thế giới 1.1 Fused Deposition Modeling (FDM) Hình 1.1: Máy in 3D Fused Deposition Modeling (FDM) FDM là quá trình bồi đắp vật liệu bằng cách nung nhựa sợi nóng chảy dẻo rồi tạo từng lớp theo mặt cắt 2D sau mỗi lớp trục z sẽ nâng lên độ cao bằng độ cao của 1 lớp in để dần tạo nên cấu trúc chi tiết[4]. Vật liệu in là sợi nhựa dẻo (PLA, ABS…) được dẫn từ một cuộn tới đầu chuyển động điều khiển bằng động cơ và hệ thống cuốn. Khi sợi nhựa tới đầu đùn nó được nung chảy bởi nhiệt độ sau đó được đùn theo vòi đầu đùn và in biến dạng theo mặt cắt của chi tiết. Vật liệu in: Sợi nhựa PLA, ABS… Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, chi phí cho thiết bị và vật liệu thấp.
Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực, sản phẩm có độ cứng cao. Tốc độ tạo hình 3D nhanh [5]. Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao, nguyên 4 Luan van nhân sai số từ đường kính sợi nhựa. Khả năng chịu lực không đồng nhất.2: Máy in 3D Stereolithography (SLA) SLA là kỹ thuật dùng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo các lớp mặt cắt cho đến khi sản phẩm hoàn tất.
Có thể hình dung kỹ thuật này như sau: đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển lên mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu này cứng lại. Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu đã cứng được hạ xuống để tạo một lớp mới, các lớp tiếp theo được thực hiện tiếp tục đến khi sản phẩm hoàn tất. Vật liệu: Nhựa lỏng Resin. Ưu điểm: Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ phân giải cao, sắc nét và chính xác.
Sử dụng nguồn lazer nên tốc độ in nhanh hơn các công nghệ FDM. Tiết kiệm được nguyên liệu so với các phương pháp gia công truyền thống, nhựa lỏng thừa khi in xong chi tiết vẫn dùng để tái sử dụng trong các lần in tiếp theo. Nhược điểm: Chi phí cho thiết bị và vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời.3 Digital Light Processing (DLP) Hình 1.3: Máy in 3D Digital Light Processing (DLP) Về cơ bản công nghệ này gần như giống với SLA, sử dụng ánh sáng để gia công sản phẩm, vật liệu in là nhựa lỏng quang hóa (Resin). Sau khi tiếp xúc với ánh sáng, nhựa lỏng đông kết hình thành các lớp rắn rất mỏng xếp lớp lên nhau để có thể tạo ra một vật thể rắn hoàn chỉnh.
Tuy nhiên, mỗi công nghệ vẫn có những điểm đặc trưng riêng và đối với từng yêu cầu cho sản phẩm, người dùng cần chọn cho mình công nghệ in phù hợp để mang lại hiệu quả cao nhất có thể. DLP thay vì sử dụng một đầu phát laser và chỉ có thể đông kết tại 1 điểm trên bàn in thì nó dùng 1 màn hình máy chiếu kỹ thuật số, các pixel trên màn hình ấy đóng vai trò là 1 đầu phát ánh sáng chỉ có 2 trạng thái là tắt và mở (0 và 1), vì thế với màn hình này hoàn toàn có thể in ra cả 1 lớp Resin thay vì chỉ in ra được 1 điểm như công nghệ SLA. Về độ phân giải nhỏ nhất của 2 phương pháp này cũng có sự khác nhau rõ rệt vì đối với SLA chùm tia sáng có hình tròn và Công nghệ DLP thì chùm ánh sáng lại được số hoá theo Pixel tức là một đơn vị ánh sáng nhỏ nhất là hình vuông.