Máy in 3D là gì? Cấu tạo máy in 3D? In 3D làm việc như thế nào?

1. Tổng quan về in 3D

Với tình trạng các bệnh viện tràn ngập bệnh nhân nhiễm virut COVID-19 dẫn đến nguồn cung cấp thiết bị bảo vệ cá nhân (PPE) và thiết bị y tế trên toàn cầu đang cạn kiệt, thế giới đã chuyển sang công nghệ để giải quyết tình trạng thiếu hụt. Trên thực tế, nhiều cơ sở chăm sóc sức khỏe đã chuyển sang in 3D để cung cấp cho nhân viên của họ các thiết bị bảo hộ cần thiết, cũng như các bộ phận để cố định máy thở. Nhờ in 3D, hàng triệu bộ phận PPE và máy thở đã được chuyển đến các bệnh viện ở tuyến đầu của cuộc chiến khủng khiếp này. Và đó thực sự chỉ là bước khởi đầu của khả năng in 3D.

1.1 Máy in 3D là gì?

Máy in 3D sử dụng thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) để tạo ra các vật thể 3D từ nhiều loại vật liệu khác nhau, như nhựa hoặc bột nóng chảy. Các máy in 3D hoạt động hơi giống với máy in phun 2D truyền thống, sử dụng phương pháp phân lớp để tạo ra đối tượng mong muốn. Chúng hoạt động theo hướng từ mặt đất lên và chồng chất hết lớp này đến lớp khác cho đến khi vật thể trông giống hệt như hình mẫu cần tạo.

1.2 Cấu tạo của máy in 3D

Cấu tạo của máy in 3D hoàn chỉnh bao gồm các thành phần quan trọng sau:

– Máy đùn

Là công cụ giữ dây tóc tại chỗ và kiểm soát lượng được nạp vào đầu nóng.

– Giường in

Là phần mà đối tượng in 3D nằm trên trong quá trình in. Khi mỗi lớp được ép đùn, giường in di chuyển xuống để cho phép thực hiện bước phân lớp tiếp theo.

– Đầu nóng

Là nơi dây tóc được nấu chảy sau đó đùn qua vòi phun. Đầu nóng có nhiều dạng nhưng loại tiêu chuẩn bao gồm ống cấp liệu, bộ tản nhiệt, ống cản nhiệt với bộ ngắt nhiệt, khối tản nhiệt và vòi phun theo thứ tự đó.

Đầu nóng của máy in 3D có nhiệm vụ nấu chảy nguyên liệu nhựa của máy in (dây tóc) thành các đường mỏng, chính xác để in

– Khung bảo vệ

Tạo ra một môi trường in kín cho quá trình in 3D. Lý do cho điều này là để đảm bảo an toàn nhưng cũng là để quản lý nhiệt độ tốt hơn nhằm cho ra kết quả in tốt hơn.

– Dây tóc

Là một cuộn dây của nhiệt dẻo hoặc một hỗn hợp trong đó có đường kính khác nhau.

1.2 Máy in 3D được sử dụng làm gì?

Máy in 3D có tính linh hoạt cao trong tất cả những gì có thể được in. Nó có thể sử dụng nhựa để in các vật liệu cứng, như kính râm. Nó cũng có thể tạo ra các vật thể linh hoạt, như vỏ điện thoại hoặc tay cầm xe đạp, bằng cách sử dụng bột nhựa hay cao su lai. Một số máy in 3D thậm chí còn có khả năng in bằng sợi carbon và bột kim loại cho các sản phẩm công nghiệp cực kỳ mạnh mẽ.

1.3 Tại sao máy in 3D lại quan trọng đối với tương lai?

Như đã giải thích ở trên, máy in 3D cực kỳ linh hoạt, không chỉ trong vật liệu nó sử dụng, mà còn với những gì nó có thể in. Ngoài ra, máy in 3D cực kỳ chính xác và nhanh chóng, khiến nó trở thành một công cụ đầy hứa hẹn cho tương lai của ngành sản xuất. Ngày nay, nhiều máy in 3D được sử dụng cho việc tạo mẫu nhanh. Các công ty trên toàn thế giới hiện đang sử dụng máy in 3D để tạo ra nguyên mẫu của họ chỉ trong vài giờ, thay vì lãng phí thời gian hàng tháng và tốn nhiều ngân sách cho nghiên cứu và phát triển. Trên thực tế, một số doanh nghiệp cho rằng máy in 3D giúp quá trình tạo mẫu nhanh hơn 10 lần và rẻ hơn 5 lần so với quy trình R&D thông thường.

Máy in 3D có thể đóng một vai trò nào đó trong hầu hết mọi ngành công nghiệp. Nó không chỉ được sử dụng để tạo mẫu, nhiều máy in 3D đang được giao nhiệm vụ in thành phẩm. Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, máy in 3D đang được sử dụng để tạo ra các bộ phận để sửa chữa các máy thở bị hỏng do đợt bùng phát COVID-19. Ngành công nghiệp xây dựng đang thực sự sử dụng phương pháp in tương lai này để in những ngôi nhà hoàn chỉnh. Các trường học trên khắp thế giới đang sử dụng máy in 3D để đưa việc học thực hành vào lớp học bằng cách in ra xương khủng long ba chiều và các mảnh robot. Tính linh hoạt và khả năng thích ứng của công nghệ in 3D khiến nó trở thành công cụ thay đổi định hướng ngay lập tức cho bất kỳ ngành nào.

2. In 3D làm việc như thế nào?

2.1 In 3D tạo mẫu nhanh và sản xuất nhanh

In 3D cung cấp cho các công ty một phương pháp sản xuất nguyên mẫu có rủi ro thấp, chi phí thấp và tốc độ nhanh, cho phép họ kiểm tra hiệu quả của sản phẩm mới và tăng cường phát triển mà không cần đến các mô hình đắt tiền hoặc các công cụ độc quyền.

Hơn thế nữa, các công ty trong nhiều ngành khác nhau cũng sẽ sử dụng in 3D để sản xuất nhanh chóng, cho phép họ tiết kiệm chi phí khi sản xuất hàng loạt hoặc sản xuất trong thời gian ngắn theo yêu cầu.

2.2 In 3D tạo ra bộ phận chức năng

Theo thời gian, in 3D đã trở nên chuyên nghiệp và chính xác hơn, giúp tạo ra các bộ phận chức năng độc quyền hoặc khó tìm, để sản phẩm có thể được sản xuất đúng tiến độ. Ngoài ra, khi máy móc và thiết bị bị hao mòn theo thời gian và cần được sửa chữa nhanh chóng, thì lúc này, in 3D sẽ tạo ra một giải pháp dễ tiếp cận nhất.

2.3 In 3D tạo ra công cụ

Giống như các bộ phận chức năng, các công cụ cũng hao mòn theo thời gian và có thể trở nên không thể tiếp cận, lỗi thời hoặc tốn kém để thay thế.

In 3D sẽ cho phép dễ dàng sản xuất và thay thế các công cụ cho nhiều ứng dụng với độ bền và khả năng tái sử dụng cao.

2.4 In 3D tạo mô hình

Mặc dù in 3D không thể thay thế tất cả các hình thức sản xuất, nhưng nó cung cấp một giải pháp rẻ tiền để sản xuất các mô hình trực quan hóa các khái niệm trong 3D. Từ hình dung sản phẩm tiêu dùng đến mô hình kiến ​​trúc, mô hình y tế và công cụ giáo dục. Khi chi phí cho in 3D giảm và trở nên dễ tiếp cận hơn, in 3D đang mở ra cánh cửa mới cho các ứng dụng tạo mô hình.

3. Máy in 3D hoạt động như thế nào?

In 3D là một phần của dòng sản xuất phụ gia và sử dụng các phương pháp tương tự như máy in phun truyền thống, mặc dù ở dạng 3D. Nó cần sự kết hợp của phần mềm hiện đại, vật liệu dạng bột và các công cụ chính xác để tạo ra một vật thể ba chiều từ đầu. Dưới đây là một số bước chính mà máy in 3D thực hiện để đưa các ý tưởng vào cuộc sống:

3.1 Bước 1 của máy in 3D: Phần mềm tạo mô hình 3D

Bước đầu tiên của bất kỳ quy trình in 3D nào là tạo mô hình 3D.

Để tối đa hóa độ chính xác (vì máy in 3D không thể đoán những gì bạn muốn in), tất cả các đối tượng mẫu phải được thiết kế trong một phần mềm mô hình 3D. Sẽ có một số thiết kế quá phức tạp và chi tiết so với các phương pháp sản xuất truyền thống. Đó là nơi xuất hiện của phần mềm CAD này. Việc lập mô hình cho phép máy in tùy chỉnh sản phẩm đến từng chi tiết nhỏ nhất. Khả năng của phần mềm tạo mô hình 3D cho phép thiết kế chính xác là lý do tại sao in 3D đang được ca ngợi như một công cụ thay đổi lớn trong nhiều ngành công nghiệp. Phần mềm mô hình này đặc biệt quan trọng đối với một ngành, như nha khoa, nơi các phòng thí nghiệm đang sử dụng phần mềm ba chiều để thiết kế các thiết kế răng phù hợp chính xác với từng cá nhân. Nó cũng rất quan trọng đối với ngành công nghiệp vũ trụ, nơi họ sử dụng phần mềm để thiết kế hầu hết các bộ phận phức tạp của một tàu tên lửa.

3.2 Bước 2 của máy in 3D: Cắt mô hình

Khi một mô hình được tạo ra, đã đến lúc phải “cắt” nó. Vì máy in 3D không thể hình thành khái niệm ba chiều, giống như con người, nên các kỹ sư cần phải cắt mô hình thành nhiều lớp để máy in tạo ra sản phẩm cuối cùng. Phần mềm Slicing thực hiện quét từng lớp của một mô hình và sẽ cho máy in biết cách di chuyển để tạo lại lớp đó. Máy cắt lát cũng cho máy in 3D biết vị trí “lấp đầy” một mô hình. Việc tô màu sẽ cung cấp cho một vật thể in 3D các mạng và cột bên trong giúp định hình và tăng cường vật thể. Sau khi mô hình được cắt lát, nó sẽ được gửi đến máy in 3D cho quá trình in thực tế.

4. Quy trình in 3D

Khi hoàn thành việc mô hình hóa và cắt một đối tượng 3D, đã đến lúc máy in 3D tiếp quản. Máy in này thường hoạt động giống như một máy in phun truyền thống trong quy trình in 3D trực tiếp, trong đó một vòi phun di chuyển qua lại trong khi phân phối từng lớp sáp hoặc polymer giống như nhựa, đợi cho lớp đó khô, sau đó thêm cấp độ tiếp theo. Về cơ bản, nó thêm hàng trăm hoặc hàng nghìn bản in 2D chồng lên nhau để tạo thành một vật thể ba chiều.

4.1 Vật liệu in 3D

Có nhiều loại vật liệu khác nhau mà máy in sử dụng để tái tạo một vật thể theo khả năng tốt nhất của nó. Dưới đây là một số ví dụ:

– Acrylonitrile butadien styren (ABS)

Là chất liệu nhựa dẻo dễ tạo hình và khó vỡ.

– Sợi carbon

Được sử dụng để tạo ra các vật thể cần chắc chắn, nhưng cũng cực kỳ nhẹ.

– Sợi dẫn điện

Những vật liệu có thể in này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và có thể được sử dụng để in mạch điện mà không cần đến dây dẫn. Đây là một vật liệu hữu ích cho công nghệ đeo.

– Sợi dẻo

Sợi dẻo tạo ra các bản in có thể uốn cong nhưng vẫn dai. Những vật liệu này có thể được sử dụng để in bất cứ thứ gì từ đồng hồ đeo tay đến vỏ điện thoại.

– Sợi kim loại

Sợi kim loại được làm từ kim loại nghiền mịn và keo polyme. Chúng bao gồm các loại bằng thép, đồng thau và đồng để có được giao diện thực sự của một vật kim loại.

– Sợi gỗ

Những sợi này chứa bột gỗ nghiền mịn trộn với keo polyme. Những thứ này rõ ràng được sử dụng để in các vật có vẻ ngoài bằng gỗ và có thể trông giống như gỗ sáng hơn hoặc sẫm hơn tùy thuộc vào nhiệt độ của máy in.

Quá trình in 3D mất từ ​​vài giờ đối với các bản in thực sự đơn giản, như hộp hoặc quả bóng, đến hàng tuần đối với các dự án chi tiết lớn hơn nhiều, như một ngôi nhà có kích thước đầy đủ.

4.2 Kỹ thuật in 3D

Ngoài ra còn có nhiều loại in 3D khác nhau tùy thuộc vào kích thước, chi tiết và phạm vi của một dự án. Mỗi loại máy in sẽ khác nhau một chút về cách in một đối tượng. Dưới đây là các kỹ thuật in 3D:

– Mô hình hóa lắng đọng hợp nhất (FDM)

Có lẽ mô hình này là hình thức in 3D được sử dụng rộng rãi nhất. Nó cực kỳ hữu ích để sản xuất các nguyên mẫu và mô hình bằng nhựa.

– Công nghệ in nổi (SLA)

Là loại in tạo mẫu nhanh, phù hợp nhất để in với các chi tiết phức tạp. Máy in sử dụng tia cực tím để chế tác các vật thể trong vòng vài giờ.

– Xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP)

Là một trong những hình thức in 3D lâu đời nhất. DLP sử dụng đèn để tạo ra các bản in ở tốc độ cao hơn so với in SLA vì các lớp khô trong vài giây.

– Sản xuất giao diện chất lỏng liên tục (CLIP)

Là một trong những quy trình nhanh hơn sử dụng Vat Photopolymerisation. Quy trình CLIP sử dụng công nghệ Tổng hợp ánh sáng kỹ thuật số để chiếu một chuỗi hình ảnh UV qua mặt cắt của một bộ phận được in 3D, dẫn đến quy trình đóng rắn được kiểm soát chính xác. Sau đó, bộ phận này được nướng trong bể nhiệt hoặc lò nướng, gây ra một số phản ứng hóa học cho phép bộ phận cứng lại.

– Vật liệu Jetting

Áp dụng các giọt vật liệu qua một vòi phun có đường kính nhỏ từng lớp một để xây dựng một nền tảng, trở nên cứng lại bởi tia UV.

– Binder Jetting

Sử dụng vật liệu cơ bản dạng bột được xếp lớp đồng đều cùng với chất kết dính lỏng, được phun qua các vòi phun tia để hoạt động như một chất kết dính cho các hạt bột.

– Mô hình hóa lắng đọng hợp nhất (FDM)

Còn được gọi là chế tạo sợi hợp nhất (FFF), hoạt động bằng cách cuộn sợi nhựa ra khỏi ống chỉ và chảy qua vòi phun được làm nóng theo hướng ngang và dọc, tạo thành vật thể ngay lập tức khi vật liệu nóng chảy cứng lại.

– Thiêu kết bằng laser chọn lọc (SLS)

Kết hợp các hạt bột nhỏ với nhau bằng cách sử dụng tia laser công suất cao để tạo ra hình dạng ba chiều. Tia laser quét từng lớp trên lớp bột và nung chảy chúng một cách có chọn lọc, sau đó hạ thấp lớp bột xuống một độ dày và lặp lại quá trình cho đến khi hoàn thành.

– Multi-Jet Fusion (MJF)

Là một dạng khác của Powder Bed Fusion, sử dụng một cánh tay quét để lắng bột và một cánh tay được trang bị máy in phun để bôi chất kết dính một cách có chọn lọc lên trên. Tiếp theo, một tác nhân chi tiết được áp dụng xung quanh để tạo độ chính xác. Cuối cùng, nhiệt năng được áp dụng để gây ra phản ứng hóa học.

– Trực tiếp kim loại Laser Sintering (DMLS)

Cũng sử dụng quy trình tương tự Multi-Jet Fusion (MJF) nhưng với bột kim loại đặc biệt.

– Cán màng

Liên kết vật liệu trong tấm thông qua ngoại lực và hàn chúng với nhau thông qua hàn siêu âm nhiều lớp. Các tấm này sau đó được nghiền trong máy CNC để tạo thành hình dạng của vật thể.

– Sự lắng đọng năng lượng có hướng

Là phổ biến trong ngành công nghiệp kim loại và hoạt động bởi một thiết bị in 3D được gắn với một cánh tay rô-bốt nhiều trục với một vòi phun để phủ bột kim loại. Bột được áp dụng cho một bề mặt và nguồn năng lượng, sau đó làm nóng chảy vật liệu để tạo thành một vật thể rắn.

5. Máy in 3D có giá bao nhiêu?

Máy in 3D có chi phí khác nhau dựa trên kích thước, tính chuyên dụng và mục đích sử dụng. Máy in 3D rẻ nhất có giá khoảng 200 USD (tương đương 4.565.900 NND), trong khi một số máy in 3D công nghiệp có thể lên đến 100.000 USD (tương đương 2.282.950.000 VND). Người tiêu dùng trung bình trả khoảng 650 USD (tương đương 14.839.175 VND) cho một máy in 3D.

Tuy nhiên, giá máy in 3D sẽ giảm đáng kể khi công nghệ in 3D được áp dụng rộng rãi hơn.