Định nghĩa và các khái niệm
In 3D
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. Có nhiều thuật ngữ khác cũng được dùng để chỉ công nghệ in 3D như công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ chế tạo nhanh và công nghệ chế tạo trực tiếp. Như vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra đời dựa trên cơ chế hay tính chất của công nghệ. Về thuật ngữ, “in 3D” chỉ việc sử dụng “máy in phun” với “đầu mực” di chuyển để tạo ra các sản phẩm hoàn thiện. Trên thực tế thì công nghệ sản xuất đắp dần cũng có thể hoạt động tương tự như vậy, nhưng nó còn có những quá trình, kĩ thuật tiến bộ hơn.
In 3D trong gốc của thuật ngữ có ý nghĩa liên quan đến quá trình tuần tự các vật liệu tích lũy trong môi trường bột với đầu máy in phun. Hiện nay, ý nghĩa của thuật ngữ này đã được mở rộng để bao gồm đa dạng hơn các kỹ thuật như các quy trình dựa trên phun ra và thiêu kết. Tạp chí The Engineer của Anh định nghĩa: In 3D là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều. Trong in ấn 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể. Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu điện tử khác.
Máy in 3D là một loại robot công nghiệp. 3D trong công nghệ in 3D là một định nghĩa hoàn toàn khác với 3D mang tính mô phỏng như TV 3D, phim 3D, âm thanh 3D, hình 3D. 3D ở đây là sản phẩm thật, vật thể thật mà ta có thể cầm trên tay, sờ mó, 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 hằng ngày. In 3D là in ra nội dung lên từng lớp, các lớp được in lần lượt chồng liên tiếp lên nhau, từng lớp từng lớp. Mực in chính là vật liệu muốn áp lên vật thể 3D, có thể là nhựa, giấy, bột, polymer, hay kim loại …, 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.
Với một số công nghệ được thực hiện bằng cách nóng chảy vật liệu và lắng đọng nó trong các lớp, trong khi các công nghệ khác kiên cố hóa vật liệu trong mỗi lớp bằng cách sử dụng laser. Trong trường hợp in phun sinh học, một sự kết hợp của vật liệu khung đỡ và các tế bào sống được phun. Ngày nay, in 3D có thể tạo ra đồ vật từ nhiều loại vật liệu, bao gồm nhựa, kim loại, gốm sứ, thủy tinh, giấy, và thậm chí cả tế bào sống. Các vật liệu này có thể dưới dạng bột, dây tóc, chất lỏng hoặc tấm. Với một số kỹ thuật, một vật đơn giản có thể được in bằng nhiều vật liệu và màu sắc, và một tác vụ in đơn lẻ thậm chí có thể tạo ra các bộ phận chuyển động kết nối (như bản lề, liên kết chuỗi hoặc lưới).
Năm 1981, Hideo Kodama của Viện Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) đã sáng tạo ra phương pháp tạo một mô hình bằng nhựa ba chiều với hình ảnh cứng polymer, nơi diện tích tiếp xúc với tia cực tím được kiểm soát bởi một mô hình lớp hay phát quang quét.
Sau đó, vào năm 1984, nhà sáng chế người Mỹ Charles Hull của Công ty Hệ thống 3D (3Dsystems) đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu dựa trên quá trình này được gọi là Stereolithography, trong đó các lớp được bổ sung bằng cách chữa giấy nến với ánh sáng cực tím laser. Hull định nghĩa quá trình như một "hệ thống để tạo ra các đối tượng 3D bằng cách tạo ra một mô hình mặt cắt của các đối tượng được hình thành," nhưng điều này đã được phát minh bởi Kodama. Đóng góp của Hull là việc thiết kế các định dạng tập tin STL (STereoLithography) được ứng dụng rộng rãi trong các phần mềm in 3D. Năm 1986, Charles Hull đã sáng tạo ra quy trình Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser. Sau đó ông đăng ký bản quyền cho công nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS) có sử dụng file định dạng STL (Standard Tessellation Language). Hull cũng thành lập công ty 3Dsystems.
Nếu lập biểu thời gian thì chúng ta sẽ thấy công nghệ này phát triển theo một biểu đồ logarit. Từ 1986 đến 2007, trong 20 năm đầu tiên, công nghệ này mới chỉ có 4 các bước đi nhỏ, chậm, đây được gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh. Tuy nhiên, đến năm 2009, đã có một sự biến động lớn trên thị trường, nhiều bằng sáng chế về công nghệ này đã hết hạn bảo hộ bản quyền, trong đó có bằng sở hữu về công nghệ “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng” (FDM). Quy trình FDM tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu rồi xếp đặt chồng lớp, vốn được sở hữu bởi hãng Stratasys, một trong những đối thủ cạnh tranh hàng đầu trong lĩnh vực in 3D. Khi bằng sáng chế về FDM hết giá trị, 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 cơ bản của các máy sản xuất đắp dần được tiêu thụ trên thị trường hiện nay.
Những mốc quan trọng trong lịch sử công nghệ in 3D:
Năm 1984: Quy trình sản xuất đắp dần được phát triển bởi Charles Hull. Năm
1986: Charles Hull đăng ký bản quyền chiếc máy tạo vật thể 3D bằng công nghệ SLS và từ file định dạng STL. Charles Hull đặt tên cho công nghệ của mình là Stereolithography, thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiên được gọi là Stereolithography Apparatus (SLA).
Năm 1987: 3DSystem phát triển dòng sản phẩm in 3D SLA-250, đây là phiên bản máy in 3D đầu tiên được giới thiệu ra công chúng.
Năm 1988: Hãng Stratasys và Công ty 3Dsystems lần đầu công bố những chiếc máy sản xuất đắp dần.
Năm 1989: Ra đời công nghệ SLS (Selective Laser Sintering), là công nghệ in 3D sử dụng con lăn để dát mỏng nguyên liệu ra thành các lớp, sau đó xếp chồng và dính chặt các lớp lại với nhau bằng cách chiếu tia laser vào.
Năm 1990: Công ty Stratasys thương mại hóa Công nghệ “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM) được phát triển bởi S. Scott Crump vào cuối những năm 1980. Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên: “3D Modeler” năm 1992.
Năm 1991: Ra đời công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing), đây là công nghệ in 3D sử dụng những vật liệu dễ dàng dát mỏng như giấy, gỗ, nhựa…
Năm 1993: Công ty Solidscape được thành lập để chế tạo ra dòng máy in 3D dựa trên công nghệ in phun , máy có thể tạo ra những sản phẩm nhỏ với chất lượng bề mặt rất cao. Cũng trong năm này, Viện Công nghệ Massachusetts Institute of Technology (MIT) đăng ký bảo hộ công nghệ “3 Dimensional Printing techniques (3DP)”.
Năm 1995: Công ty Z Corporation đã mua lại giấy phép độc quyền từ MIT để sử dụng công nghệ 3DP và bắt đầu sản xuất các máy in 3D.
Năm 1996: Stratasys giới thiệu dòng máy in 3D ”Genisys”. Cùng năm này, Z Corporation cũng giới thiệu dòng “Z402″. 3D Systems cũng giới thiệu dòng máy “Actua 2100″. Tới lúc này thì cụm từ “Máy in 3D ” được sử dụng lần đầu tiên để chỉ những chiếc máy tạo mẫu nhanh.
Năm 2005: Z Corporation giới thiệu dòng máy Spectrum Z510. Đây là dòng máy in 3D đầu tiên tạo ra những sản phẩm có nhiều màu sắc chất lượng cao.
Năm 2006: Dự án máy in 3D mã nguồn mở được khởi động – Reprap – mục đích là tạo ra những máy in 3D có thể sao chép chính bản thân nó. Người ta có thể điều chỉnh hay sửa đổi nó tùy ý, nhưng phải tuân theo điều luật GNU (General Public Licence).
Năm 2008: Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành. Nó có thể sản xuất được 50 % các bộ phận của chính mình. Năm 2008: Objet Geometries Ltd. đã tạo ra cuộc cách mạng trong ngành tạo mẫu nhanh khi giới thiệu Connex500™. Đây là chiếc máy đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra sản phẩm 3d với nhiều loại vật liệu khác nhau trong cùng 1 thời điểm.
Năm 2009: Bản quyền về công nghệ “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng” (FDM) hết hạn bảo hộ và chiếc máy in 3D mã nguồn mở đầu tiên ra đời.
Năm 2010: Urbee - chiếc xe hơi nguyên mẫu đầu tiên được giới thiệu. Đây là chiếc xe đầu tiên trên thế giới mà toàn bộ phần vỏ được in ra từ máy in 3D. Tất cả các bộ phận bên ngoài, kể cả kính chắn gió đều được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn của Stratasys. Năm 2010: Organovo Inc. một công ty y học tái tạo nghiên cứu trong lĩnh vực in 3D sinh học đã công bố việc chế tạo ra hoàn chỉnh mạch máu đầu tiên hoàn toàn bằng công nghệ in 3D.
Năm 2012: Thương mại hóa máy in 3D cá nhân đầu tiên.
Năm 2014: Các bằng sáng chế cho công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (selective laser sintering - SLS), cũng bắt đầu hết hạn bảo hộ, tạo cơ hội cho những sáng 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 này trong tương lai gần.
...................................Và đến nay 2019 công nghệ In 3D đã ngày càng hoàn hảo để có thể in được tim người - Một bước tiến dài vượt bậc, thần kì mà công nghệ in 3D đã làm được và sẽ còn tiếp tục..........
Ưu điểm và hạn chế của in 3D In 3D có nhiều ưu điểm so với các phương pháp thông thường. Với in ấn 3D, một ý tưởng có thể chuyển trực tiếp từ một tệp tin trên máy tính của nhà thiết kế tới một bộ phận hoàn chỉnh hoặc sản phẩm, có thể bỏ qua nhiều bước sản xuất truyền thống (bao gồm mua sắm từng bộ phận, tạo ra các bộ phận bằng cách sử dụng khuôn mẫu, gia công để khắc các bộ phận từ khối vật liệu, hàn phần kim loại với nhau và lắp ráp). In 3D cũng có thể làm giảm lượng vật liệu bị lãng phí trong sản xuất và tạo ra các vật thể khó hoặcvật thể không thể sản xuất với các kỹ thuật truyền thống, bao gồm các vật có cấu trúc bên trong phức tạp làm tăng sức mạnh, giảm trọng lượng, hoặc tăng chức năng. Ví dụ, trong sản xuất kim loại, in 3D có thể tạo ra các vật thể có cấu trúc tổ ong bên trong, trong khi in sinh học (bioprinting) có thể tạo ra các cơ quan của cơ thể với một mạng nội bộ các mạch máu. Ưu điểm của công nghệ in 3D còn ở chỗ tạo mẫu nhanh. Công nghệ này có sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện. “Nhanh” ở đây cũng chỉ là một giới hạn tương đối. Thông thường, để tạo ra một sản phẩm mới mất khoảng từ 3 – 6 72 giờ, phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm. Có thể 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 tạo ra 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 đưa ra thị trường những sản phẩm mới. Ưu điểm nữa của công nghệ in 3D là có thể chế tạo ra đối tượng với đầy đủ các 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. Ngày nay, công nghệ in 3D phát triển rất đa dạng, với mỗi sản phẩm 3D có thể được in ra với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạng bột bụi. Với mỗi loại vật liệu cũng có nhiều phương thức để in như sử dụng tia laser, dụng cụ cắt, đùn ép nhựa … Cách thức in thì có in từ dưới lên, in từ đỉnh xuống. Gọi là tạo mẫu nhanh vì so với các phương pháp gia công chế tạo vật thể 3D (mẫu) khác như cắt, gọt, tiện, phay, bào, nặn …. Thì phương pháp này cho phép tạo ra mẫu nhanh hơn. Công nghệ in 3D có những ưu điểm mà các chuyên gia tin rằng nó sẽ sớm trở thành một xu hướng phát triển mạnh mẽ trong thời gian tới và là xu hướng của tương lai. Chúng ta sẽ thấy trong tương lai gần công nghệ in 3D phát triển đến mức có thể in được cả một chiếc tàu vũ trụ với tốc độ in rất nhanh. Tất cả các chi tiết từ bên trong ra bên ngoài đều được in xong với đầy đủ mọi chất liệu như đồng đen, bạch kim, vàng, sắt, thép, nhựa, thủy tinh…đều được in chỉ trong một lần in duy nhất. Công nghệ này sẽ tạo ra một chiếc tàu vũ trụ với giá rẻ chưa từng có và không có sai sót. Đó là trong tương lai, còn hiện tại công nghệ này đã làm được điều đó trên các chất liệu đơn giản như bê tông, nhựa, sắt thép … Hiện nay, với cùng một loại chất liệu, công nghệ in 3D đã có thể in ra bất cứ vật mẫu nào có hình dạng cụ thể. Đã có những quả tim, gan, phổi … của con người được sản xuất ra bằng công nghệ in 3D với độ chính xác hoàn hảo tuyệt đối. Tóm lại, công nghệ in 3D có những ưu điểm chính:
- Tốc độ hình thành sản phẩm rất nhanh so với công nghệ khác;
- Chi phi đầu tư sở hữu thấp nhất trong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh;
- Chi phí nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp;
- Đa dạng về vật liệu chế tạo và các ứng dụng;
- Có thể in các vật có cấu tạo hình học phức tạp mà không cần giá đỡ;
- Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng;
- Là công nghệ tạo mẫu có đầy đủ màu sắc lên đến hàng triệu màu; - Cho phép chế tạo các sản phẩm đa dạng từ các vật liệu khác nhau, màu sắc khác nhau, khối lượng và kích thước với các tỷ lệ khác nhau so với chi tiết hoặc sản phẩm thật.
Về các hạn chế hiện tại của in 3D, khác nhau tùy theo kỹ thuật in, bao gồm tốc độ in hiện tại chưa thực sự tương xứng với tiềm năng, kích thước đối tượng được in hạn chế, chi tiết hoặc độ phân giải của đối tượng còn giới hạn, chi phí vật liệu còn cao
Tuy nhiên, trong những năm gần đây đã có những tiến bộ nhanh chóng trong việc giảm các hạn chế này.(Phùng Tiến Anh)
Mọi nhu cầu về dịch vụ 3D tại Việt Nam xin liên hệ:
Phạm Hoài , Phone: 0983 553 768 ( Miền Nam )
Trần Tùng , Phone: 036 549 8888 ( Miền Bắc )
Gmail: thinksmartvn.info@gmail.com
Head office: 35B, Street 10, Tang Nhon Phu B ward, Dict 9, HCM City
Consulutant: Fablab, MakerSpace, Incubator, Stem, Education.
Trade: 3D Printer, 3D Scanner, Small CNC, Software, Machine packet for Innovation Space.
Services: 3D Printing, 3D Scanning, 3D Inspection, Concept Design, Mold Design, IoT, Training.
0 Comments