In 3D khác với gia công cắt gọt (Subtractive Manufacturing) – quá trình cắt bỏ vật liệu khỏi một khối vật liệu để tạo hình đối tượng, ví dụ như gia công phay. Quá trình in 3D giảm thiểu lãng phí vật liệu hơn gia công cắt gọt.

Cách hoạt động của IN 3D

Quá trình in 3D bao gồm ba bước cơ bản:

- Bước 1: Sử dụng phần mềm CAD để thiết kế sản phẩm in theo hình dạng ba chiều. Đây là bước đòi hỏi nhiều sáng tạo và kỹ năng nhất. Bạn có thể dùng các phần mềm như TinkerCAD, Fusion360 hay Sketchup để tạo ra các mô hình 3D từ đầu hoặc tải về từ các nguồn có sẵn. Bạn cũng có thể dùng máy quét 3D để sao chép một đối tượng thật bằng cách chụp ảnh nó từ nhiều góc khác nhau. Đây là quá trình thiết kế ngược. Các mô hình 3D phức tạp thường được kiểm tra kỹ lưỡng trong môi trường mô phỏng để đảm bảo không có lỗi nào trong sản phẩm hoàn thiện.

- Bước 2: Chuyển mô hình 3D thành các lớp in bằng phần mềm cắt lớp. Đây là bước quan trọng vì máy in 3D chỉ có thể in theo từng lớp. Phần mềm cắt lớp như CraftWare hay Astroprint sẽ phân tích mô hình 3D và tạo ra các đường dẫn cho đầu in của mỗi lớp. Phần mềm cắt lớp cũng sẽ điều chỉnh phần “lấp đầy” của mô hình bằng cách tạo ra một kết cấu lưới bên trong một mô hình rắn để giúp nó vững chắc hơn. Ngoài ra, phần mềm cắt lớp cũng sẽ thêm vào các cột hỗ trợ nếu cần thiết. Các cột này giúp máy in có thể in được những phần treo lơ lửng trong không khí khi dùng vật liệu nhựa. Các cột này sau đó sẽ được gỡ bỏ nếu cần.

- Bước 3: In sản phẩm bằng máy in 3D. Tại đây, máy in 3D sẽ thực hiện công việc của nó. Nó sẽ in mô hình theo các chỉ dẫn của phần mềm cắt lớp bằng các phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào loại máy in được dùng. Ví dụ: in 3D trực tiếp dùng công nghệ giống như công nghệ in phun, trong đó các vòi phun di chuyển qua lại, lên xuống, phun ra chất sáp hoặc nhựa polyme, để làm cho chúng đông lại và tạo thành từng lớp mới của vật thể 3D. Khi file được gửi đến máy in 3D, nó sẽ đọc từng lớp của mô hình và in theo từng lớp.

Thành phẩm IN 3D được in như thế nào.

Máy in 3D sẽ thực hiện quá trình ép đùn vật liệu (material extrusion) để in ra các lớp vật liệu. Tùy thuộc vào loại máy in 3D và vật liệu được dùng, có nhiều phương pháp ép đùn vật liệu khác nhau. Phương pháp thông dụng nhất là máy in 3D sẽ dùng một vòi để phun ra vật liệu nửa lỏng, như nhựa nóng chảy, kim loại hoặc xi măng. Vòi này có thể di chuyển theo hai chiều ngang và dọc để xếp vật liệu chính xác theo thiết kế của mô hình kỹ thuật số từng lớp một. Quá trình này sẽ lặp đi lặp lại cho đến khi máy in 3D tạo ra được tất cả các lớp trong mô hình kỹ thuật số bằng vật liệu đã ép đùn.

Những công nghệ IN 3D được nhiều người sử dụng.

Hiện nay, có nhiều công nghệ in 3D khác nhau, mỗi công nghệ có những đặc điểm, ưu nhược điểm và ứng dụng riêng. Dưới đây là một số công nghệ in 3D phổ biến hiện nay:

- FDM (Fused Deposition Modeling): Đây là công nghệ in 3D sử dụng vật liệu dạng sợi nhựa nhiệt dẻo, được đùn ra từ một đầu phun và hóa rắn trên một bàn in để tạo ra các lớp của sản phẩm. Công nghệ FDM có ưu điểm là giá thành máy và vật liệu rẻ, dễ sử dụng và bảo trì, có thể in được nhiều loại vật liệu khác nhau. Tuy nhiên, công nghệ FDM cũng có nhược điểm là độ chính xác và độ mịn của sản phẩm không cao, thời gian in khá lâu và cần có vật liệu hỗ trợ để in được các phần treo lơ lửng1.

- SLA (Stereolithography): Đây là công nghệ in 3D sử dụng vật liệu dạng nhựa lỏng nhạy ánh sáng, được cứng hóa bởi một tia laser theo từng lớp để tạo ra sản phẩm. Công nghệ SLA có ưu điểm là độ chính xác và độ mịn của sản phẩm cao, thời gian in nhanh và không cần vật liệu hỗ trợ. Tuy nhiên, công nghệ SLA cũng có nhược điểm là giá thành máy và vật liệu cao, cần có thiết bị an toàn khi sử dụng laser và vật liệu nhựa lỏng, sản phẩm dễ bị suy giảm chất lượng khi tiếp xúc với ánh sáng2.

- SLS (Selective Laser Sintering): Đây là công nghệ in 3D sử dụng vật liệu dạng bột kim loại hoặc nhựa, được kết hợp lại bởi một tia laser theo từng lớp để tạo ra sản phẩm. Công nghệ SLS có ưu điểm là có thể in được các sản phẩm phức tạp, có độ bền cao và không cần vật liệu hỗ trợ. Tuy nhiên, công nghệ SLS cũng có nhược điểm là giá thành máy và vật liệu cao, cần có thiết bị an toàn khi sử dụng laser và vật liệu bột, sản phẩm có bề mặt không mịn và cần qua gia công sau in3.

- DLP (Digital Light Processing): Đây là công nghệ in 3D gần giống với SLA, cũng sử dụng vật liệu nhựa lỏng nhạy ánh sáng, nhưng thay vì dùng laser thì DLP dùng máy chiếu để chiếu ánh sáng lên nguyên liệu polymer lỏng theo từng lớp để tạo ra sản phẩm. Công nghệ DLP có ưu điểm là tốc độ in rất nhanh và độ phân giải cao. Tuy nhiên, công nghệ DLP cũng có nhược điểm là giá thành máy và vật liệu cao, cần có thiết bị an toàn khi sử dụng máy chiếu và vật liệu nhựa lỏng, sản phẩm dễ bị suy giảm chất lượng khi tiếp xúc với ánh sáng4.

Ngoài ra, còn có một số công nghệ in 3D khác như SLM (Selective Laser Melting), EBM (Electron Beam Melting), LOM (Laminated Object Manufacturing), BJ (Binder Jetting), v.v.

Ứng dụng in 3D trong cuộc sống

Máy in 3D cho phép bạn tạo ra bất kỳ thứ gì bạn có thể nghĩ ra bằng cách in ra các lớp vật liệu theo một mô hình 3D trên máy tính. Máy in 3D đang mang lại những khả năng mới cho các nhà thiết kế, kỹ sư và bất kỳ ai muốn tạo ra các vật thể phức tạp mà các phương pháp sản xuất truyền thống không thể thực hiện được. Sau đây là một số ứng dụng chủ yếu của in 3D.

Thiết kế quần áo, phụ kiện, trang sức:

Công nghệ in 3D cho phép tạo ra những sản phẩm thời trang độc đáo, sáng tạo và cá nhân hóa theo ý thích của khách hàng. Các nhà thiết kế có thể sử dụng các loại vật liệu khác nhau, từ nhựa, kim loại cho đến vải và da để in 3D các sản phẩm của họ. Một số ví dụ về sản phẩm thời trang được in 3D là giày Nike Flyprint, váy Iris van Herpen và nhẫn Nervous System.

Ứng dụng y học, sản xuất bộ phận cơ thể người:

Công nghệ in 3D có thể giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của nhiều bệnh nhân bằng cách tạo ra các bộ phận cơ thể người giả, như xương, răng, da, mắt và cả các cơ quan bên trong. Các bộ phận này có thể được in 3D từ các tế bào của chính bệnh nhân hoặc từ các vật liệu sinh học tương thích, giảm thiểu nguy cơ bị từ chối hoặc nhiễm trùng. Một số ví dụ về các bộ phận cơ thể người được in 3D là xương sọ Wake Forest, răng NeWay và [tim Tel Aviv University].

Sản xuất linh kiện:

Công nghệ in 3D cho phép sản xuất các linh kiện có độ chính xác cao và độ bền cao cho nhiều ngành công nghiệp, như hàng không vũ trụ, ô tô, điện tử và quân sự. Các linh kiện này có thể được in 3D từ các loại vật liệu khác nhau, từ kim loại, nhựa cho đến gốm và sợi carbon. Các linh kiện này có thể được tùy biến theo yêu cầu của khách hàng hoặc được tối ưu hóa để giảm trọng lượng và tăng hiệu suất. Một số ví dụ về các linh kiện được in 3D là [turbine GE Aviation], [ô tô EDAG Genesis] và [antenna Airbus Defence and Space].

Xây dựng:

Công nghệ in 3D có thể giúp xây dựng các công trình kiến trúc một cách nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường. Các công trình này có thể được in từ các loại vật liệu khác nhau, từ xi măng, bê tông cho đến gỗ và cát. Các công trình này có thể có những hình dạng độc đáo, phù hợp với địa hình và khí hậu của khu vực xây dựng. Một số ví dụ về các công trình được in 3D là [nhà Apis Cor], [cầu MX3D] và [tòa nhà WinSun].

Thực phẩm:

Công nghệ in 3D có thể giúp tạo ra những món ăn ngon, đẹp mắt và bổ dưỡng. Các món ăn này có thể được in từ các loại nguyên liệu khác nhau, từ sô cô la, bơ, phô mai cho đến thịt và rau củ. Các món ăn này có thể có những hình dạng và màu sắc đa dạng, phù hợp với sở thích và nhu cầu dinh dưỡng của người ăn. Một số ví dụ về các món ăn được in 3D là [bánh kem 3D Systems], [pizza BeeHex] và [thịt Aleph Farms].

Sản xuất đồ chơi và quà lưu niệm:

Công nghệ in 3D có thể giúp tạo ra những đồ chơi và quà lưu niệm độc đáo, sáng tạo và cá nhân hóa. Các đồ chơi và quà lưu niệm này có thể được in 3D từ các loại vật liệu khác nhau, từ nhựa, gỗ, kim loại cho đến cao su và sáp. Các đồ chơi và quà lưu niệm này có thể có những hình dạng và kích thước khác nhau, phù hợp với ý tưởng và mong muốn của người tạo ra hoặc người nhận. Một số ví dụ về các đồ chơi và quà lưu niệm được in 3D là [Lego Formlabs], [vòng tay Shapeways] và [hoa hồng Forever Rose].

Ưu điểu và nhược điểm

Công nghệ in 3D là một công nghệ có nhiều ưu và nhược điểm. Dưới đây là một số điểm mạnh và điểm yếu mà bạn nên cân nhắc.

Ưu điểm:

Cho phép tạo ra các sản phẩm độc đáo, sáng tạo và cá nhân hóa theo ý thích của khách hàng. Các nhà thiết kế có thể sử dụng các loại vật liệu khác nhau, từ nhựa, kim loại cho đến vải và da để in 3D các sản phẩm của họ.

Có thể giúp tiết kiệm chi phí sản xuất, cải tiến quy trình và sản phẩm cho các nhà cung cấp trong vài trường hợp cụ thể. Với máy in 3D, bạn có thể tạo các bộ phận và sản phẩm của riêng mình thay vì mua chúng.

Là một công cụ giáo dục tuyệt vời có thể được sử dụng để dạy cho cả trẻ em và người lớn. Nó có thể giúp phát triển các kỹ năng giải quyết vấn đề, lý luận không gian và sáng tạo. Nó cũng là một công cụ tuyệt vời để giảng dạy các môn học STEM (Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học).

Công nghệ in 3D là một quá trình nhanh chóng có thể tạo ra các vật thể chỉ trong vài giờ. Điều này đặc biệt hữu ích nếu bạn cần nhanh chóng tạo nguyên mẫu hoặc sản phẩm dùng một lần.

Nhược điểm:

Tốn kém tri phí, đặc biệt nếu bạn muốn có một mô hình chất lượng cao. Bạn cũng phải chi trả cho các vật liệu in, bảo trì máy và điện năng.

Yêu cầu kỹ năng thiết kế 3D, sử dụng phần mềm và máy in. Bạn cũng phải đối mặt với các vấn đề kỹ thuật như lỗi in, kẹt máy và chất lượng in không đồng đều.

Công nghệ in 3D có thể gây ra những tác động xấu đến môi trường, như ô nhiễm không khí, tiêu hao nguồn tài nguyên và rác thải. Một số vật liệu in không thân thiện với môi trường hoặc khó tái chế.

Lời kết

Công nghệ in 3D là một công nghệ đầy tiềm năng và đột phá trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nó có thể giúp tạo ra những sản phẩm độc đáo, sáng tạo và cá nhân hóa theo ý thích của khách hàng... Tuy nhiên, công nghệ này cũng có những hạn chế và thách thức, như chi phí cao, phức tạp, kỹ thuật và môi trường. Công nghệ in 3D là một công nghệ đang phát triển và có thể mang lại nhiều thay đổi cho tương lai. Hy vọng bạn đã có được một cái nhìn tổng quan về công nghệ in 3D qua bài viết này.