TẤT TẦN TẬT VỀ MÁY IN 3D CÔNG NGHIỆP

•       In 3D công nghiệp hay còn gọi là công nghệ in 3D 3-Dimension (3 chiều), kỹ thuật in 3D là một kỹ thuật in sử dụng công nghệ in đắp dần từ mô hình thiết kế. Các lớp vật liệu sẽ được đắp chồng lên nhau một cách tuần tự. Các máy in 3D công nghiệp sẽ sử dụng vật liệu in đặc biệt tạo hình khối 3D cho sản phẩm, dưới sự kiểm soát của máy tính.

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN MÁY IN 3D CÔNG NGHIỆP

• Lịch sử ngành In 3D chia làm 3 giai đoạn:

Năm 1980- máy In 3D đầu tiên được phát minh

• Những tài liệu đầu tiên ghi chép về in 3D được tìm thấy đầu những năm 1980 tại Nhật Bản. Năm 1981, Hideo Kodama cố gắng phát triển hệ thống tạo mẫu nhanh. Ông đã đưa ra cách tiếp cận với sản xuất từng lớp, sử dụng một loại nhựa cảm quang được polyme hóa bằng tia UV. Mặc dù ông Kodama không có bằng sáng chế của công nghệ này, nhưng ông được ghi nhận là người đầu tiên phát minh ra hệ thống sản xuất này, là tiền thân của máy in SLA hiện đại ngày nay.

• Vài năm sau đó, một nhóm các chuyên gia người Pháp cũng tìm ra cách để tạo mẫu nhanh. Thay cho resin, họ đã tìm ra cách tạo một hệ thống làm đông đặc các Monomer thành chất lỏng bằng tia laser. Cũng giống nhe Kodama, họ không có bằng sáng chế cho công nghệ này, nhưng vẫn được ghi nhận là những người đưa ra hệ thống in 3D.
• Cùng năm đó, Charles Hull đã nộp bằng sáng chế đầu tiên cho Stereolithography (SLA). Hull đã phát triển một hệ thống tạo mô hình 3D bằng cách đóng rắn từng lớp nhựa cảm quang.
• Năm 1986, Hull nộp bằng sáng chế. Năm 1988, ông thành lập công ty cổ phần hệ thống In 3D. Máy in SLA-1 là máy in 3D công nghiệp thương mại đầu tiên được công ty ông phát hành năm 1988.

• Ngày nay, rất nhiều chiếc máy in SLA hiện đại được sản xuất phá vỡ nhiều kỷ luật về kích thước và công suất. Chứng tỏ công nghệ in 3D đã tiến một bước tiến rất xa so những tiền thân của nó.

• SLA không phải là hệ thống sản xuất phụ gia duy nhất được phát minh trong thời gian này.
• Năm 1988, Carl Deckard tại Đại học Texas đã nộp bằng sáng chế cho cộng nghệ SLS(Selective laser Sintering)- thiêu kết bằng tia laser. Hệ thống này dùng tia laser trên bột thay vì chất lỏng.
• Cùng thời gian đó, một hệ thống in 3D phổ biến nhất ngày nay, do Scott Crump tạo ra cũng được cấp bằng sáng chế, đó là FDM (Fused Deposition Modeling). Khác với hệ thống SLA, SLS thì FDM không sử dụng ánh sáng laser, mà sử dụng nhiệt là nóng chảy nhựa rồi đùn trực tiếp để tạo thành mô hình.

• Ba công nghệ được nêu trên không phải là công nghệ in 3D công nghiệp duy nhất tồn tại, nhưng là 3 công nghệ in đóng vai trò nền tảng cho sự phát triển công nghệ in sau này.

 

Từ 1990-2010 Cải tiến và phát triển máy in 3D công nghiệp

• Vào những năm 90, các công ty và nhiều công ty khởi nghiệp bắt đầu hình thành và thử nghiệm với công nghệ sản xuất phụ gia khác nhau. Năm 2006, máy in thương mại SLS đầu tiên được phát hành là dấu mốc thay đổi cuộc chơi về việc tạo ra các bộ phận công nghiệp theo yêu cầu.
• Các công cụ CAD (Computer-aided design) cũng trở nên sẵn có hơn vào thời điểm này, cho phép phát triển các mô hình 3D trên máy tính của họ. Đây là một trong những công cụ quan trọng nhất trong giai đoạn đầu của việc tạo ra bản in 3D.
• Trong thời gian này, máy móc rất khác so với máy móc mà chúng ta sử dụng bây giờ. Chúng rất khó sử dụng, đắt tiền và nhiều bản in cuối cùng cần rất nhiều công xử lý sau cùng. Nhưng những đổi mới đang diễn ra hàng ngày. Các khám phá, phương pháp và kỹ thuật mới đang được phát minh và củng cố.
• Sau đó vào năm 2005, Mã nguồn mở (Open Source) đã thay đổi thay đổi bộ mặt ngành in 3D, cho phép mọi người tiếp cận nhiều hơn với công nghệ này. Tiến sĩ Adrian Bowyer đã tạo ra dự án RepRap ( replicating rapid prototype), đây là một sáng kiến mã nguồn mở. Bất kỳ ai với bộ linh kiện đầy đủ đều có thể lắp ráp thành công một chiếc máy RepRap. Điều đó cũng có nghĩa là nếu có một chiếc máy RepRap thì có thể tự in cho mình hoặc cho bạn bè một chiếc máy RepRap khác.

• • Tiến sĩ Adrian Bowyer đã tạo ra dự án RepRap ( replicating rapid prototype), đây là một sáng kiến mã nguồn mở
• Vào năm 2008, Công nghệ in 3D được áp dụng trong y học với sự kiện chiếc chân giả đầu tiên được in 3D thành công, kể từ thời điểm đó, thuật ngữ in 3D lan rộng trên toàn cầu.
• Sau đó, vào năm 2009, các bằng sáng chế FDM nộp vào những năm 80 được công khai và sở hữu chung. Nhờ sự phổ biến của công nghệ FDM và sự cạnh tranh của các công ty lúc bấy giờ, máy in FDM trở nên rẻ hơn rất nhiều.

In 3D công nghiệp ngày nay

• Trong những năm 2010, giá của máy in 3D công nghiệp bắt đầu giảm, khiến chúng được phổ biến rộng rãi. Cùng với việc giảm giá, chất lượng và độ dễ in cũng tăng lên.
• Các vật liệu máy in sử dụng cũng đã phát triển. Hiện nay có rất nhiều loại nhựa và sợi nhựa được phổ biến rộng rãi. Các vật liệu in 3D như sợi carbon và sợi thủy tinh cũng có thể được in 3D. Thậm chí một số vật liệu hữu cơ đang được thử nghiệm in 3D như sô cô la hoặc mì ống.

• Vào năm 2019, tòa nhà in 3D chức năng lớn nhất thế giới đã được hoàn thành. In 3D hiện được sử dụng nhất quán trong việc phát triển máy trợ thính và các ứng dụng chăm sóc sức khỏe khác, nhiều ngành và lĩnh vực đã áp dụng công nghệ này vào quy trình làm việc hàng ngày của họ.

VAI TRÒ CỦA MÁY IN 3D CÔNG NGHIỆP

• Qua quá trình phát triển và áp dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp, in 3D công nghiệp có những lợi ích rõ rệt như sau:

➢ Giúp tiết kiệm chi phí:

• Các phần mềm lập trình sẵn sẽ cho ra mẫu chính xác chỉ một lần in, không tạo ra hao phí do sai sót như sản xuất truyền thống. Ít hao tổn vật liệu và ít rác thải sản xuất hơn truyền thống, độ chính xác cao nên giảm chi phí sai sót

➢ Rút ngắn thời gian chế tạo:

• Không cần mất vài ngày hoặc vài tuần để tạo mẫu bằng cách truyền thống. Với công nghệ in 3D, quá trình tạo mẫu chỉ mất 1 ngày hoặc vài giờ, một số phương pháp in có thể in cùng lúc được nhiều mẫu khác nhau trong một lần in, hoặc nhiều chi tiết của một bộ phận có thể tháo lắp.

➢ Thiết kế có độ tùy biến cao:

• Nhờ sự hỗ trợ của máy tính, mẫu in 3D có thể linh hoạt thay đổi nhanh chóng từ phần mềm đến khi in ra. Tính linh hoạt còn thể hiện ở mặt thời gian được rút ngắn, các nhà sản xuất không quá mất thời gian để tạo mẫu và thay đổi cho phù hợp với thiết kế.

➢ Tạo ra khác biệt, tăng lợi thế trong kinh doanh:

•  Tất cả các lợi ích khi kết hợp nhau sẽ cho ra sản phẩm nổi trội hơn đối thủ về mặt thời gian, độ chính xác và sự linh hoạt cao của thiết kế mẫu. Vòng đời tạo ra mẫu sản phẩm mới sẽ được rút ngắn. Kiểm soát được thời gian tung ra mẫu sản phẩm mới trên thị trường.

 

ỨNG DỤNG MÁY IN 3D CÔNG NGHIỆP

Ô tô, tàu thuyền, hàng không, vũ trụ:

• Ngoài mục đích thử nghiệm, thiết kế, tạo mẫu và sản xuất một số bộ phận, công cụ lắp ráp đặc biệt, ngành công nghiệp ô tô, tàu thuyền đã sử dụng công nghệ in 3D công nghiệp để sản xuất ra những chiếc xe, tàu thuyền hoàn chỉnh.
• Trên thực tế, chiếc xe hơi đầu tiên được tạo ra bằng công nghệ in 3D là Urbee, được sản xuất toàn bộ bằng công nghệ in 3D.
• 

  Urbee- chiếc xe in 3D đầu tiên

Linh kiện ô tô cũng được thiết kế và sản xuất nhanh chóng nhờ kết hợp Scan 3D và in 3D. Điều này tạo điều kiện để phát triển công nghiệp sản xuất linh kiện cho ô tô và phát triển mẫu mã xe hơi.

Kiến trúc:

• In 3D áp dụng để dựng nên các mô hình kiến trúc thu nhỏ của các công trinh xây dựng, các tòa nhà. Qua đó dễ dàng truyền đạt ý tưởng hoặc củng cố các thiết kế cho các công trình đang lên kế hoạch. Không những vậy, những công trình phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao và các công trình có yếu tố toán học cũng dễ dàng xây dựng hơn với in 3D nhờ các phần mềm kết nối với máy in.
• Ngoài ra, thế giới đã có các công trình như: cầu, tòa nhà… được xậy dựng từ in 3D. Trong số đó, nổi bật là công trình kiến trúc lớn nhất được in 3D ở Dubai (tòa nhà 2 tầng, cao 9,5m, diện tích 640m2) chỉ mất 2 ngày để tạo khung ngoài của tòa nhà và vài tuần để hoàn thành toàn bộ cấu trúc. Chi phí giảm 60%, giảm 60% rác thải, và chỉ cần 50% nhân lực so với phương pháp xây nhà truyền thống.

Trong tương lai, sẽ còn nhiều công trình xây dựng bằng in 3D vì tính ưu việt của nó.

Sản xuất khuôn công nghiệp:

Y tế:

• Công nghệ in 3D có thể in ra vật thể với độ chính xác cao, đó là cơ hội cho các bệnh nhân bị khuyết bộ phận trên cơ thể có thể được lắp ráp bộ phận mới như: tay, chân, xương phần đầu, hàm, xương các bộ phận… thích hợp với cơ thể.
•  Ngành công nghiệp in 3D SLA cao cấp đã in hơn 50.000 khung điều trị chỉnh hình mỗi ngày. In 3D bây giờ là một thay đổi vĩnh viễn cho ngành y tế.

• Ngoài ra, in 3D công nghiệp áp dụng trên vật liệu kim loại không gỉ để tạo ra các thiết bị, dụng cụ y tế với độ chính xác cao.
• In 3D áp dụng với các vật liệu sinh học để tạo ra các bộ phận, nội tạng trong cơ thể người để cấy ghép cho các bệnh nhân. Ứng dụng tiềm năng nhất đối với công nghệ In 3D trong thế giới y học là “in sinh học” (bioprinting) – sản xuất các bộ phận trên cơ thể người để cấy ghép. Công nghệ này liên quan đến việc tạo ra các mô và cơ quan nội tạng được in từng lớp vào một cấu trúc 3 chiều. Các bộ phận được chế tạo từ chính vật chất di truyền của bệnh nhân và tương thích chính xác với mô và bộ phận muốn thay thế. Thử nghĩ xem, những bộ phận như: da, khí quản, bàng quang và cả những bộ phận có cấu trúc phức tạp hơn như tim đang chờ để được in theo yêu cầu với chỉ một cú “click chuột”.

 

CÁC DÒNG MÁY IN 3D CÔNG NGHIỆP

Máy in FDM

• Như đã đề cập trước đó, Công nghệ in 3D FDM là sáng kiến của S. Scott Crump được ra đời vào cuối những năm 1980. In FDM là công nghệ in 3D đơn giản và có giá thành rẻ nhất. Công nghệ in 3D FDM là công nghệ in sử dụng nguyên lý đun nóng chảy vật liệu ở nhiệt độ cao. Sau đó hỗn hợp vật liệu nóng chảy sẽ được đùn qua đầu phun thành các sợi nhựa. Những sợ nhựa vật liệu nóng chảy này sẽ được xếp chồng từ lớp, khô lại và tạo thành mô hình. Công nghệ in FDM có ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực.

• Vật liệu thường được sử dụng phổ biến trong công nghệ in FDM là những loại nhựa in nhiệt dẻo như: ABS, PLA,… Đây là công nghệ in 3D cho khả năng in hoàn hảo những nguyên mẫu với hiệu suất cao. Thời gian tạo ra sản phẩm còn tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của vật thể cũng như chất lượng của máy in. Những vật thể có nhiều chi tiết phức tạp thì thời gian in sẽ lâu hơn và ngược lại, các vật thể có kích thước nhỏ sẽ được hoàn thành nhanh chóng hơn. Hiện nay, công nghệ in FDM được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau với sự đa dạng về vật liệu in và giá thành khá rẻ.

Máy In 3D công nghiệp SLA

• Trong công nghiệp, in 3D SLA được biết đến là công nghệ in 3D được phát minh đầu tiên vào năm 1980 bởi Dr Kodama. SLA là từ viết tắt của Stereolithography, đây là một quy trình sản xuất bồi đắp thuộc dòng Photopolymer hóa. SLA xử lý một cách chọn lọc từng lớp nhựa Polymer thông qua việc chiếu chùm tia UV, từ đó vật thể được tạo ra. Những vật liệu được lựa chọn trong SLA đều thuộc polymer ở dạng lỏng, nhạy nhiệt. 

• Cho đến thời điểm hiện tại, công nghệ in 3D này nằm trong Top hiệu quả nhất với độ chính xác gần như tuyệt đối. Đến nay, máy in 3D SLA cao cấp được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực tượng, cơ khí, giày, kiến trúc, xây dựng, giáo dục,… giúp rút ngắn thời gian cho ra sản phẩm, tiết giảm chi phí. 
•  Dòng máy in SLA khổ lớn trung bình cao gần 2m, nặng 800kg -1 tấn. Máy lớn nhất hiện nay cao 3m, nặng 6 tấn. Dòng máy SLA cao cấp yêu cầu các quy định nghiêm ngặt về vận chuyển và bảo quản.

Máy In 3D công nghiệp SLM 

• Công nghệ in SLM được nghiên cứu bởi một tổ chức nghiên cứu hiệp hội Fraunhofer ở Aachen, Đức vào năm 1995. Đến đầu những năm 2000, công nghệ in này chính thức được thương mại hóa.

• In SLM sử dụng công nghệ dùng laser chọn lọc làm tan chảy bột kim loại và đông đặc từng lớp một cho đến khi tạo ra một bộ phận ba chiều. Trong quá trình này, thước đo trong buồng chế tạo sẽ lát một lớp bột kim loại, một tia laser công suất cao sẽ nung chảy bột một cách chọn lọc bằng cách theo dõi mặt cắt ngang của bộ phận trên bề mặt của lớp bột và sau đó phủ một lớp vật liệu mới áp dụng cho lớp tiếp theo. Toàn bộ quá trình diễn ra trong buồng chân không cao hoặc đầy buồng khí bảo vệ để tránh bột kim loại phản ứng với oxy ở nhiệt độ cao.

Một số ngành công nghiệp phổ biến thường ứng dụng công nghệ này như:

• Hàng không vũ trụ: các ống dẫn khí, giá đỡ hoặc các thiết bị cố định, thậm chí là động cơ tên lửa cũng đã được ứng dụng.
• Y tế: chế tạo các mô hình cấy ghép trong cơ thể sống.
• Sản xuất dụng cụ: chế tạo đồ đạc, đồ gác, dao, cánh quạt, v.v…
• Nha khoa: chế tạo răng giả thay thế.
• Prototyping: chế tạo nguyên mẫu trực quan của các thiết kế phục vụ cho quá trình R&D, thường trong công nghiệp sản xuất ô tô.
• AI Robot: chế tạo vỏ robot hoặc các bộ phận lắp ráp trong robot. 

 

Máy In 3D công nghiệp SLS

• SLS có gọi khác là thiêu kết laser chọn lọc hoặc tên tiếng anh là “Selective Laser Sintering”. Đây là một quy trình sản xuất bồi đắp thuộc nhóm Powder Bed Fusion. Trong công nghệ in 3D SLS,  sử dụng chùm tia laser công suất cao sẽ có nhiệm vụ quét, thiêu kết (nung chảy và kết dính) vật chất (các hạt của bột polymer) một cách có chọn lọc. Kế đó, kết hợp chúng lại với nhau và tạo thành từng lớp liên tiếp. Thông thường, các vật liệu sử dụng trong công nghệ này là nhựa nhiệt dẻo có dạng hạt. Công nghệ này hiệu quả cho các bộ phận chi tiết bền, các bộ phận chức năng phức tạp có nhiều ống, hang ẩn bên trong. Đây là một giải pháp tối ưu cho các sản phẩm khả năng chịu nhiệt độ cao, chóng ăn mòn,…

VẬT LIỆU IN 3D

Có 3 cách để phân loại vật liệu in 3D công nghiệp:

• Phân loại theo tính chất hóa học: Nhựa tổng hợp, Nylon, Kim loại, Gốm sứ.
• Phân loại theo hình dạng đặc trưng: Dạng sợi, Dạng bột, Dạng lỏng
• Phân loại theo chức năng sử dụng: Vật liệu in 3D FDM, Vật liệu in 3D SLA, Vật liệu in 3D SLS, Vật liệu in 3D Gốm Sứ.

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene )

• Là vật liệu tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ. ABS là vật liệu rất bền và chịu lực tốt, linh hoạt và hoàn toàn chịu được nhiệt độ cao. Máy in 3D công nghiệp có thể sử dụng nhựa ABS để hoạt động bình thường. Máy in sẽ làm tan chảy nhựa thông qua các vòi phun in ở nhiệt độ khoảng 210-250°C.

 

PLA (Polylactic Axit)

• Là một nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo, như bột ngô, mía, củ sắn hoặc thậm chí tinh bột khoai tây. Điều này tạo giải pháp thân thiện với môi trường nhất trong lĩnh vực in ấn 3D, so với tất cả các sản phẩm nhựa hóa dầu khác như ABS hay PVA.

 

 Resin/ nhựa lỏng (In 3D SLA)

Màu sắc hạn chế hơn FDM, nhưng chất lượng bề mặt rất tốt, láng bóng, sắc nét, độ chính xác cao, lắp ráp dễ dàng. Đây là công nghệ in sử dụng phổ biến nhất hiện nay tại Việt Nam. Nhưng khả năng chịu nhiệt độ có phần hơi kém.

 

 ZR680 (trắng & mịn)

Là loại nhựa lỏng được sử dụng phổ biến, nó có độ nhớt cao (450 CPS ), nhiệt độ biến dạng vào 52 độ C.

 

ZR710 (Trắng & cứng)

Là loại vật liệu in có độ cứng cao 87 ~ 92, màu trắng đục, nhiệt độ biến dạng là 52 độ C

>> Xem chi tiết thông số kỹ thuật của vật liệu in 3d SLA:  Tại đây

ZR820 ( Nhựa trong suốt )

Chắc chắn là nó trong suốt sau khi được in ra, độ trong suốt cao, độ nhớt của vật liệu và độ cứng thấp.

ABS ( Vàng cứng )

Vật liệu màu vàng, sáng, độ cứng cao, nhiệt độ biến dạng vào 52 độ C.

>> Xem chi tiết thông số kỹ thuật của vật liệu in 3d SLA:  Tại đây

Red wood

 

Vật liệu in 3D gốm sứ:

• In 3D Gốm sứ là Công nghệ in 3D chưa được sử dụng nhiều tại Việt Nam do nhiều lý do, phần lớn được sử dụng trong y khoa, tạo mẫu nhanh xương người hoặc răng. Công ty Thinksmart là công ty duy nhất tại Việt Nam Sử dụng công nghệ in 3D gốm sứ cho lĩnh vực y tế.

Cera Al₂O₃ (alumina)

Cera ZrO₂

>> Xem chi tiết thông số kỹ thuật của vật liệu in 3d SLA:  Tại đây

Trên đây là các thông tin liên quan đến công nghệ đang dần trở nên phổ biến trong đời sống và sản xuất- In 3D. Hy vọng các kiến thức trên phần nào giúp ích được quý độc giả trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng in 3D trong sản xuất chế tạo.

Các bài viết khác:

Scan 3D/ Quét 3D là gì?

Ứng dụng edem- giải pháp chuyển đổi số trong lĩnh vực nông nghiệp

Giải Pháp Kiểm Tra 3D Cho Ngành Đúc 3D

Chuyên gia nói gì về ngành công nghiệp ô tô trong năm 2022

 

<< Quay về trang ứng dụng