Kỹ thuật in 3D và sự ảnh hưởng trực tiếp đối với khối ngành kỹ thuật
KỸ THUẬT IN 3D VÀ SỰ ẢNH HƯỞNG TRỰC TIẾP
ĐỐI VỚI KHỐI NGÀNH KỸ THUẬT
Lưu Lê Thanh Bảo, Đào Duy Đạt
Viện Công nghệ Việt-Nhật, Trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh
GVHD: TS. Hà Minh Tuấn
TÓM TẮT
Các phương pháp chế tạo cơ khí hiện nay: Gia công bằng dao, gia công bằng tia laser, gia công
bằng tia nước v.v. Các phương pháp gia công chế tạo linh kiện điện tử: phương pháp khắc li tô,
phương pháp li tô quang v.v.
Các phương pháp trên đều có chung một điểm đều là chế tạo theo phương thức từ trên xuống.
Phương pháp này đang tồn tại 1một số nhược điểm và trong tương lai gần những nhược điểm đó
sẽ gây cản trở cho sự phát triển của các ngành kỹ thuật, đó là rất khó để có thể tạo được những linh
kiện điện tử nhỏ như nguyên tử và không thể chế tạo những chi tiết phức tạp. Nhưng những điều
này đối với phương pháp in 3D thì có thể làm được trong tương lai. Những lợi ích do phương pháp
chế tạo mới này mang lại sẽ thay đổi hoàn toàn ngành kỹ thuật.
1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D
Công nghệ in 3D bao gồm một loạt các quá trình và công nghệ cung cấp đầy đủ khả năng để sản
xuất các chi tiết và sản phẩm từ các loại vật liệu khác nhau. Về cơ bản, tất cả các quy trình công
nghệ đều có điểm chung là cách thức thực hiện sản xuất, là quá trình điền đầy các lớp của chất
phụ gia, trái ngược hoàn toàn với quy trình sản xuất truyền thống như làm khuôn.
Công nghệ in 3D là quá trình tạo ra các mô hình vật lý (mẫu thực) từ mô hình số hóa (file thiết kế 3D
trên máy tính) một cách tự động thông qua các máy in 3D.
Về cơ bản, để phân biệt nguyên lý phía sau công nghệ in 3D đó là quá trình sản xuất chất phụ gia.
Và điều này thực sự là chìa khóa vì in 3D là một phương pháp hoàn toàn khác dựa trên công nghệ
tiên tiến là xây đắp, xếp chồng các lớp vật liệu để tạo ra mô hình sản phẩm.
Đối với nhiều ứng dụng của quá trình thiết kế truyền thống và quá trình sản xuất vẫn có những hạn
chế chưa thể khắc phục được như, việc bao gồm chi phí đắt tiền để mua dụng cụ cắt, máy móc
thiết bị, đồ gá có thể dẫn tới 90% vật liệu ban đầu sử dụng bị lãng phí.
Ngược lại, công nghệ in 3D là quá trình tạo ra đối tượng một cách trực tiếp, bằng cách xếp tầng các
lớp vật liệu theo các cách khác nhau tùy thuộc vào công nghệ sử dụng trong in 3D. Cách hiểu đơn
giản về công nghệ in 3D cho bất cứ ai đang cố gắng để hiểu về khái niệm này thì công nghệ in 3D
giống như việc xây dựng một số thứ với các khối Lego một cách tự động.
898
2 NHỮNG LOẠI MÁY IN 3D TÁC ĐỘNG TRỰC TIẾP VÀO NGÀNH KỸ THUẬT
2.1 Fused Deposition Modeling (FDM)
Hình 1: Mô hình hoạt động máy in 3D FDM
FDM là quá trình bồi đắp vật liệu bằng cách nung nhựa sợi nóng chảy dẻo rồi tạo từng lớp theo
mặt cắt 2D sau mỗi lớp trục Z sẽ nâng lên độ cao bằng độ cao của một lớp in để dần tạo nên cấu
trúc chi tiết. Vật liệu in là sợi nhựa dẻo (PLA, ABS…) được dẫn từ một cuộn tới đầu chuyển động điều
khiển bằng động cơ và hệ thống cuốn. Khi sợi nhựa tới đầu đùn nó được nung chảy bởi nhiệt độ
sau đó được đùn theo vòi đầu đùn và in biến dạng theo mặt cắt của chi tiết.
Vật liệu in: Sợi nhựa PLA, ABS…
Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, chi phí cho thiết bị và vật liệu thấp. Thường sử dụng trong các
sản phẩm cần chịu lực, sản phẩm có độ cứng cao. Tốc độ tạo hình 3D nhanh.
Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao, do sai số đường kính sợi
nhựa. Khả năng chịu lực không đồng nhất.
2.2 Stereolithography (SLA)
Hình 2: Mô hình hoạt động máy in 3D SLA
899
SLA là kỹ thuật dùng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo các lớp mặt cắt cho đến khi
sản phẩm hoàn tất. Có thể hình dung kỹ thuật này như sau: đặt một bệ đỡ trong thùng chứa
nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển lên mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo hình mặt
cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu này cứng lại. Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu đã cứng
được hạ xuống để tạo một lớp mới, các lớp tiếp theo được thực hiện tiếp tục đến khi sản phẩm
hoàn tất.
Vật liệu: Nhựa lỏng Resin.
Ưu điểm: Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ phân giải cao, sắc nét và chính
xác. Sử dụng nguồn laser nên tốc độ in nhanh hơn các công nghệ FDM. Tiết kiệm được nguyên liệu
so với các phương pháp gia công truyền thống, nhựa lỏng thừa khi in xong chi tiết vẫn dùng để tái
sử dụng trong các lần in tiếp theo.
Nhược điểm: Chi phí cho thiết bị và vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để
lâu dưới ánh sáng mặt trời.
2.3 Digital Light Processing (DLP)
Hình 3: Mô hình hoạt động của máy in 3D DLP
Cơ bản công nghệ này gần như giống với SLA, sử dụng ánh sáng để gia công sản phẩm, vật liệu in
là nhựa lỏng quang hóa (Resin). Sau khi tiếp xúc với ánh sáng, nhựa lỏng đông kết hình thành các
lớp rắn rất mỏng xếp lớp lên nhau để có thể tạo ra một vật thể rắn hoàn chỉnh. DLP thay vì sử dụng
một đầu phát laser và chỉ có thể đông kết tại một điểm trên bàn in thì nó dùng một màn hình máy
chiếu kỹ thuật số, các pixel trên màn hình ấy đóng vai trò là một đầu phát ánh sáng chỉ có hai trạng
thái là tắt và mở (0 và 1), vì thế với màn hình này hoàn toàn có thể in ra cả một lớp Resin thay vì chỉ
in ra được một điểm như công nghệ SLA. Về thời gian in: công nghệ DLP có thời gian in ngắn hơn
nhiều so với SLA, vì chúng có khả năng kết tinh đồng loạt một lớp resin. Về chất lượng sản phẩm:
công nghệ SLA có sự ổn định cao hơn DLP.
900
2.4 Selective Laser Sintering (SLS)
Hình 4: Mô hình máy in SLS
Vật liệu: Kim loại bột, hợp kim dạng bột.
Ưu điểm: Có thể in được các mô hình có thành mỏng, các chi tiết độ dẻo, vật liệu kim loại, hợp
kim, hay mô hình lớn và có phần rỗng phía dưới đáy, không cần hệ thống support. 8.
Nhược điểm: Chi phí đầu tư cho thiết bị và vật liệu khá cao, lượng vật liệu tiêu tốn lớn.
3 QUY TRÌNH IN 3D ĐỂ TẠO RA MỘT SẢN PHẨM
Bước 1: Tạo mô hình 3D (CAD Model Creation): Trước tiên, đối tượng được mô hình hóa
bằng cách sử dụng một thiết kế với sự trợ giúp của máy tính, lập mô hình khối 3D bằng các phần
mềm như: Solidworks, ProE,... Các nhà thiết kế có thể sử dụng một tập tin CAD có từ trước hoặc tạo
mới theo mục đích tạo mẫu.
Bước 2: Chuyển đổi sang định dạng STL (Conversion to STL format): Các phần mềm 3D
khác nhau sử dụng thuật toán khác nhau để thể hiện vật thể 3D (Solid part), để thiết lập tính thống
nhất – định dạng STL (stereolithography) đã được áp dụng như là tiêu chuẩn của ngành công
nghiệp tạo mẫu nhanh. Định dạng này là quỹ tích của các mặt tam giác liên kết liên tục với nhau,
thể hiện bề mặt của vật thể trong không gian ba chiều. Do định dạng STL sử dụng các yếu tố mặt
phẳng (planar triangles) nên nó không thể hiện bề mặt cong một cách chính xác. Tăng số lượng
mặt tam giác có thể cải thiện độ mịn của bề mặt cong nhưng sẽ làm dung lượng file tăng. Các chi
tiết lớn, phức tạp sẽ cần nhiều thời gian cho khâu tiền xử lý và xây dựng định dạng STL.
Bước 3: Cắt file STL (Slice the STL file): Trong bước này, một chương trình tiền xử lý file STL sẽ
được xây dựng, một số chương trình có sẵn và hầu hết cho phép người dùng điều chỉnh kích thước,
vị trí và hướng mô hình.
Bước 4: Xác định hướng đặt rất quan trọng với nhiều lý do:
– Tính chất của mẫu tạo thành sẽ thay đổi tương đồng với phương hướng gá đặt. Ví dụ: Mẫu sẽ
yếu hơn và chính xác không cao theo phương Z so với phương XY.
901
– Hướng đặt mô hình quyết định thời gian in mô hình. Vì thế nên đặt phương ngắn nhất của vật
thể theo hướng Z của thiết bị để giảm số lượng các lớp do đó rút ngắn thời gian in.
Bước 5: Xây dựng mô hình (Layer by layer): Đây là bước chủ đạo của quy trình tạo mẫu
nhanh, nó sử dụng một trong những kỹ thuật khác nhau (RP techniques). Hệ thống xây dựng từng
lớp vật liệu từ: polymer, dung dịch nhựa lỏng, giấy, bột kim loại… Hầu hết là tự động, ít có sự can
thiệp của con người.
Bước 6: Làm sạch và kết thúc: Đây là bước cuối cùng của quy trình, bước này liên quan đến
việc loại bỏ các phần tử phụ trợ (có đề cập ở bước số 3).
4 ỨNG DỤNG
In 3D có nhiều ứng dụng. Trong sản xuất, y học, kiến trúc, trong nghệ thuật và thiết kế tùy biến. Một
số người sử dụng máy in 3D để tạo thêm máy in 3D. Hiện nay, phương pháp in 3D đã được sử
dụng trong các lĩnh vực sản xuất, y tế, công nghiệp và văn hóa xã hội, tạo điều kiện cho in 3D trở
thành công nghệ thương mại v.v.
Sản xuất đắp dần dựa trên đám mây:
Sản xuất đắp dần kết hợp với công nghệ điện toán đám mây cho phép sản xuất phân tán về địa lý.
Chỉ cần gửi file mẫu từ xa đến cho các công ty sở hữu máy in.
Tùy biến hàng loạt: Các công ty đã tạo ra các dịch vụ mà người tiêu dùng có thể tùy biến các đối
tượng bằng cách sử dụng phần mềm tùy biến dựa trên web đơn giản và đặt hàng các sản phẩm
là các đối tượng độc đáo được in 3D.
Sản xuất nhanh: Những tiến bộ trong công nghệ RP đã giới thiệu các vật liệu thích hợp cho việc
sản xuất cuối cùng, do đó đã giới thiệu khả năng sản xuất trực tiếp các bộ phận hoàn thiện. Một lợi
thế của việc in 3D để sản xuất nhanh nằm ở việc sản xuất tương đối rẻ một số lượng nhỏ các bộ
phận.
Tạo mẫu nhanh: Máy in 3D công nghiệp đã tồn tại từ đầu những năm 1980 và đã được sử dụng
rộng rãi để tạo mẫu nhanh và nghiên cứu. Đây thường là những máy lớn hơn sử dụng kim loại bột
độc quyền, phương tiện đúc (ví dụ: cát), nhựa, giấy hoặc hộp mực và được sử dụng để tạo mẫu
nhanh chóng bởi các Trường Đại học và công ty thương mại.
Nghiên cứu: In 3D có thể đặc biệt hữu ích trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu do khả năng
tạo ra các dạng hình học chuyên biệt, riêng biệt. Năm 2012, dự án chứng minh khái niệm tại Đại
học Glasgow, Vương quốc Anh, cho thấy có thể sử dụng các kỹ thuật in 3D để hỗ trợ sản xuất các
hợp chất hóa học.
Thực phẩm: Sản xuất đắp dần thực phẩm đang được phát triển bằng cách ép ra thực phẩm
thành các vật thể ba chiều từng lớp một. Một lượng lớn các loại thực phẩm thích hợp.
902
5 KẾT LUẬN
Trong một vài thập kỷ tới khi công nghệ in 3D đã đạt đến mức hoàn thiện nó sẽ thay đổi hoàn toàn
cách ngành kỹ thuật.
Đối với cơ khí thì phần thiết kế khuôn mẫu sẽ không còn tồn tại nữa, sinh viên sẽ học cách lập trình
điều khiển số hóa các máy in 3D. Các kỹ sư ngành thiết kế máy sẽ tự do suy nghĩ thiết kế mà không
cần phải suy nghĩ đến việc khó khăn trong gia công vì với công nghệ in 3D thì có thể gia công được
tất cả các chi tiết gây khó khăn đối với những phương pháp hiện nay.
Những chiếc máy tính sẽ mỏng như tờ giấy tốc độ xử lý nhanh gấp chục hoặc thậm chí cả trăm lần
bây giờ vì các linh kiện điện tử đã thu nhỏ rất nhiều lần so với hiện tại, khái niệm về máy tính lượng
tử, AI, Big data sẽ trở nên phổ biến và thông dụng.
Sự hoàn thiện của công nghệ in 3D có thể sẽ gây ra một cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 cơ cấu
việc làm sẽ thay đổi, nhiều công việc sẽ mất đi và sẽ có nhiều công việc mới được sinh ra yêu cầu
con người cần phải hoàn thiện bản thân thêm để không bị thay thế, đào thải.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
Công nghệ in 3D đã đột phá vào mọi ngành nghề, PGS. Nguyễn Xuân Chánh (2016). Tr... 108-
130, 230-311, 340-370.
[2]
Vật liệu và thiết bị NANO, TS Trương Văn Tân (2016). Tr… 212-307.
903
6 trang
15/04/2022
1420
Bạn đang xem tài liệu "Kỹ thuật in 3D và sự ảnh hưởng trực tiếp đối với khối ngành kỹ thuật", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ky_thuat_in_3d_va_su_anh_huong_truc_tiep_doi_voi_khoi_nganh.pdf
