In 3D là gì? Máy in 3D hoạt động như thế nào?

In 3D là gì?

In 3D là một phương pháp sản xuất và tạo mẫu nhanh rất linh hoạt. Trong vài thập kỷ qua, in 3D đã và đang tạo nên làn sóng trong nhiều ngành công nghiệp trên thế giới.

In 3D thuộc một họ công nghệ sản xuất được gọi là sản xuất bồi đắp (additive manufacturing), mô tả việc tạo ra một đối tượng bằng cách thêm từng lớp vật liệu vào đối tượng đó. Trong suốt lịch sử của mình, quá trình sản xuất bồi đắp này đã có nhiều tên gọi khác nhau, như in li-tô lập thể (stereolithography), 3D layering hay in 3D, nhưng in 3D là tên gọi được biết đến nhiều nhất.

Vậy làm thế nào để máy in 3D hoạt động? Hãy cùng tìm hiểu qua bài viết sau đây.

Máy in 3D hoạt động như thế nào?

Quá trình in 3D bắt đầu bằng cách tạo mô hình đồ họa của đối tượng sẽ được in. Chúng thường được thiết kế bằng các gói phần mềm Computer-Aided Design (CAD) và đây có thể là phần tốn nhiều công sức nhất của quy trình. Các chương trình được sử dụng cho việc này bao gồm TinkerCAD, Fusion360 và Sketchup.

Đối với các sản phẩm phức tạp, những mô hình này thường được thử nghiệm rộng rãi trong việc mô phỏng bất kỳ khiếm khuyết tiềm năng nào của sản phẩm cuối cùng. Tất nhiên, nếu đối tượng được in hoàn toàn là để trang trí, thì điều này sẽ ít quan trọng hơn.

Một trong những lợi ích chính của in 3D là nó cho phép tạo mẫu của hầu hết mọi thứ một cách nhanh chóng. Giới hạn duy nhất chỉ là trí tưởng tượng của bạn mà thôi.

Trên thực tế, có một số đối tượng quá phức tạp để có thể tạo ra trong các quy trình sản xuất hoặc tạo mẫu truyền thống, như phay CNC (CNC milling) hoặc đúc. In 3D cũng rẻ hơn rất nhiều so với một số phương pháp sản xuất truyền thống khác.

Sau khi thiết kế, giai đoạn tiếp theo là cắt lớp (slicing) kỹ thuật số mô hình để lấy đi in. Đây là một bước quan trọng vì máy in 3D không thể khái niệm hóa mô hình 3D giống như con người. Quá trình cắt lớp chia mô hình thành nhiều lớp. Thiết kế cho mỗi lớp sau đó được gửi đến đầu máy in (printer head) để in hoặc đặt xuống theo thứ tự.

Quá trình cắt lớp thường được hoàn thành bằng một chương trình đặc biệt như CraftWare hoặc Astroprint. Phần mềm này cũng sẽ xử lý việc "lấp đầy" mô hình bằng cách tạo cấu trúc lưới bên trong mô hình rắn để tăng độ ổn định nếu cần.

Đây cũng là một lĩnh vực mà máy in 3D thực sự vượt trội. Những máy in này có thể in các vật liệu với mật độ rất thấp thông qua việc bổ sung các túi khí bên trong sản phẩm cuối cùng.

Phần mềm cắt lớp cũng sẽ thêm vào các cột hỗ trợ khi cần thiết. Các cột này sau đó sẽ được gỡ bỏ nếu cần.

Sau khi chương trình cắt lớp hoạt động, dữ liệu cho giai đoạn cuối cùng sẽ được gửi đến máy in.

Từ đây, máy in 3D sẽ tự mình tiếp quản mọi thứ. Nó sẽ bắt đầu in ra mô hình theo các hướng dẫn cụ thể của chương trình cắt lớp bằng những phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào loại máy in được sử dụng. Ví dụ, in 3D trực tiếp sử dụng công nghệ tương tự như công nghệ in phun, trong đó vòi phun di chuyển qua lại và lên xuống, mang theo một loại sáp hoặc nhựa polyme dày, tạo thành từng mặt cắt mới của vật thể 3D. Phương pháp MJM (Multi Jet Modeling) sử dụng hàng chục vòi phun hoạt động đồng thời, để tạo mô hình nhanh hơn.

Trong phương pháp in 3D phun kết dính (binder 3D printing), vòi phun phun bột khô và keo lỏng, hoặc chất kết dính, rồi kết hợp chúng với nhau để tạo thành từng lớp in. Máy in phun kết dính thực hiện 2 lần để tạo thành mỗi lớp. Lần đầu tiên tạo ra một lớp phủ bột mỏng và lần thứ hai sử dụng vòi phun để đưa chất kết dính vào.

Trong quá trình quang hóa, các giọt nhựa lỏng tiếp xúc với chùm tia cực tím, chuyển chất lỏng thành chất rắn.

Sintering (Thiêu kết) là một công nghệ in 3D khác kết hợp các hạt có nhiệt độ nóng chảy cao và những hạt có nhiệt độ nóng chảy thấp với nhau để in từng lớp nối tiếp nhau. Quá trình thiêu kết laser có chọn lọc (selective laser sintering) liên quan dựa vào tia laser để làm tan chảy bột nhựa chống cháy, sau đó hóa rắn để tạo thành lớp in. Sintering cũng có thể được sử dụng để xây dựng các vật kim loại.

Quá trình in 3D có thể mất hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày, tùy thuộc vào quy mô và độ phức tạp của dự án.

"Có một số công nghệ nhanh hơn tạo được tiếng vang trong ngành, như Carbon M1, sử dụng tia laser bắn vào một lớp chất lỏng và kéo bản in ra khỏi đó, tăng tốc quá trình lên đáng kể. Nhưng những loại máy in này phức tạp và đắt tiền hơn nhiều lần, thêm vào đó, cho đến nay, chúng chỉ hoạt động với nhựa mà thôi". (Theo howtogeek.com).

Bất kể loại máy in 3D nào được sử dụng, quy trình in tổng thể cũng thường giống nhau.

• Bước 1: Tạo mô hình 3D bằng phần mềm CAD.
• Bước 2: Bản vẽ CAD được chuyển đổi sang định dạng Standard Tessellation Language (STL). Hầu hết các máy in 3D sử dụng các file STL, cùng với một số loại file khác như ZPR và ObjDF.
• Bước 3: File STL được chuyển sang máy tính điều khiển máy in 3D. Ở đó, người dùng chỉ định kích thước và hướng in.
• Bước 4: Máy in 3D tự thiết lập. Mỗi máy có các yêu cầu riêng để thiết lập, chẳng hạn như nạp lại các hạt polyme, chất kết dính và những vật tư tiêu hao khác mà máy in sẽ sử dụng.
• Bước 5: Khởi động máy và chờ quá trình xây dựng mô hình hoàn tất. Máy nên được kiểm tra thường xuyên trong thời gian này để đảm bảo không có lỗi.
• Bước 6: Đối tượng in được xóa khỏi máy.
• Bước 7: Bước cuối cùng là xử lý hậu kỳ. Nhiều máy in 3D yêu cầu một số loại xử lý hậu kỳ, chẳng hạn như loại bỏ bất kỳ loại bột nào còn lại hoặc rửa vật in để loại bỏ các chất hỗ trợ hòa tan trong nước. Những vật thể mới cũng có thể cần được làm khô.

Máy in 3D có thể làm gì?

Như bạn đã thấy, máy in 3D rất linh hoạt. Về lý thuyết, chúng có thể tạo ra hầu hết mọi thứ bạn nghĩ ra.

Nhưng chúng bị giới hạn bởi các loại vật liệu có thể sử dụng làm vật liệu in và kích thước của chúng. Đối với các đối tượng rất lớn, giả sử một ngôi nhà, bạn sẽ cần in các mảnh riêng lẻ - hoặc sử dụng máy in 3D rất lớn.

Máy in 3D có thể in bằng nhựa, bê tông, kim loại và thậm chí cả tế bào động vật. Nhưng hầu hết các máy in sẽ được thiết kế để chỉ sử dụng một loại vật liệu.

Một số ví dụ thú vị về các đối tượng được in 3D bao gồm (nhưng không giới hạn):

• Tay chân giả và các bộ phận cơ thể khác
• Ngôi nhà và các tòa nhà
• Món ăn
• Dược phẩm
• Súng
• Sản phẩm thủy tinh
• Đối tượng acrylic
• Đạo cụ phim
• Nhạc cụ
• Quần áo
• Mô hình và thiết bị y tế

In 3D rõ ràng có ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp.

Một số loại phần mềm in 3D

Các phần mềm CAD khác nhau sẽ sử dụng nhiều định dạng file, nhưng một số tùy chọn phổ biến nhất là:

• STL - Standard Tessellation Language hoặc STL là định dạng kết xuất 3D thường chỉ có thể xử lý một màu duy nhất. Đây thường là định dạng file mà hầu hết các máy in 3D để bàn sử dụng.
• VRML - Virtual Reality Modeling Language, file VRML là định dạng file mới hơn. Chúng thường được sử dụng cho các máy in có nhiều máy ép đùn và có thể xử lý việc tạo mô hình nhiều màu.
• AMF - Định dạng Additive Manufacturing File là tiêu chuẩn mở dựa trên .xml để in 3D. Nó cũng có thể hỗ trợ nhiều màu sắc.
• GCode - GCode là một định dạng file khác có thể chứa các hướng dẫn chi tiết để máy in 3D tuân theo khi đặt từng lớp.
• Các định dạng khác - Các nhà sản xuất máy in 3D khác cũng có những định dạng file độc quyền của riêng họ.

Lợi ích của in 3D là gì?

Như đã đề cập ở trên, in 3D có thể có nhiều lợi thế hơn so với các quy trình sản xuất truyền thống như ép phun hay phay CNC.

In 3D là quá trình xây dựng mọi thứ theo từng lớp, còn phay CNC dần dần loại bỏ vật liệu khỏi một khối rắn để tạo ra sản phẩm. Điều này có nghĩa là trong một số trường hợp, in 3D có thể tiết kiệm tài nguyên hơn CNC.

Một ví dụ khác về quy trình sản xuất truyền thống, ép phun, rất tốt để tạo ra nhiều vật thể với khối lượng lớn. Mặc dù có thể được sử dụng để tạo nguyên mẫu, nhưng ép phun phù hợp nhất cho sản xuất hàng loạt, quy mô lớn, thiết kế sản phẩm được phê duyệt. Còn in 3D phù hợp hơn với quy mô nhỏ, hoạt động sản xuất hạn chế hoặc tạo mẫu.

Tùy thuộc vào việc sử dụng, in 3D có một số lợi thế khác so với các quy trình sản xuất khác. Chúng bao gồm (nhưng không giới hạn ở việc):

• Sản xuất nhanh hơn - In 3D có thể nhanh hơn một số quy trình thông thường như ép phun và sản xuất giảm trừ (subtractive production).
• Có thể tiếp cận dễ dàng - In 3D đã xuất hiện được vài thập kỷ và trở nên bùng nổ từ khoảng năm 2010. Hiện tại có rất nhiều loại máy in và gói phần mềm (nhiều tùy chọn là nguồn mở) có sẵn, giúp mọi người dễ dàng học cách thực hiện.
• Sản phẩm chất lượng tốt hơn - In 3D tạo ra chất lượng sản phẩm phù hợp. Miễn là model chính xác và phù hợp với mục đích, cộng với việc sử dụng cùng loại máy in, sản phẩm cuối cùng thường sẽ luôn có chất lượng giống nhau.
• Tuyệt vời cho thiết kế và thử nghiệm sản phẩm - In 3D là một trong những công cụ tốt nhất để thiết kế và thử nghiệm sản phẩm. Nó cung cấp nhiều cơ hội để thiết kế và thử nghiệm các mô hình nhằm cho phép sàng lọc dễ dàng.
• Hiệu quả về chi phí - In 3D, như ta đã thấy, có thể là một phương tiện sản xuất hiệu quả về chi phí. Khi mô hình được tạo, quy trình thường được tự động hóa và chất thải nguyên liệu thô có xu hướng bị hạn chế.
• Thiết kế sản phẩm gần như vô hạn - Khả năng in 3D gần như vô hạn. Miễn là nó có thể được thiết kế bằng CAD và có máy in đủ lớn để in sản phẩm.
• Máy in 3D có thể in bằng nhiều vật liệu khác nhau - Một số máy in 3D thực sự có thể pha trộn hoặc chuyển đổi giữa các vật liệu. Trong in ấn truyền thống, điều này có thể khó khăn và rất tốn kém.