In 3D là quy trình sản xuất tạo vật thể ba chiều, vật lý từ file số. Quy trình này gọi là sản xuất gia tăng (additive manufacturing), nghĩa là vật liệu được thêm vào, không bị loại bỏ.
Với in 3D, bạn tạo thiết kế 3D số trong phần mềm mô hình hóa (phần mềm CAD), sau đó dùng máy in 3D sản xuất lớp vật liệu từng lớp để hình thành vật thể hoàn thiện. Doanh nghiệp, nhà nghiên cứu, y tế, người đam mê... sử dụng in 3D cho nhiều ứng dụng.
Dưới đây là tổng quan về lịch sử, nguyên lý, ứng dụng và tương lai của công nghệ này.
In 3D có thể là một phần của phim yêu thích bạn. Đạo cụ trong phim như Black Panther, Iron Man, The Avengers, Star Wars dùng in 3D, giúp nhà thiết kế cảnh tạo và tái tạo đạo cụ dễ dàng, tiết kiệm.
Lịch sử (và tương lai) của in 3D
Đầu thập niên 1980, công nghệ in 3D xuất hiện, nhưng gọi là công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP). Năm 1980, Tiến sĩ Kodama Nhật Bản nộp đơn sáng chế RP nhưng chưa hoàn tất.
Năm 1984, Charles "Chuck" Hull phát minh quy trình gọi là stereolithography (SLA), dùng ánh sáng UV rắn hóa vật liệu tạo vật thể 3D từng lớp. Năm 1986, Hull được cấp bằng sáng chế cho thiết bị SLA.
Chuck Hull thành lập 3D Systems Corporation, một trong những công ty công nghệ 3D lớn nhất thế giới.
Các công nghệ in 3D khác được phát triển cùng lúc, cải tiến tiếp tục suốt thập niên 1990 và đầu 2000. Tuy nhiên, trọng tâm vẫn là tạo mẫu nhanh và ứng dụng công nghiệp.
Công nghệ in 3D thu hút truyền thông đại chúng năm 2000 khi thận in 3D đầu tiên được tạo ra, tuy ghép thận in 3D thành công chỉ xảy ra 2013. Năm 2004, dự án RepRap có máy in 3D in ra một máy in 3D khác. Năm 2008 thu hút sự chú ý với chi thể bảo trợ in 3D đầu tiên.
Các tiến bộ 3D khác nhanh chóng theo sau, bao gồm ngôi nhà in 3D gia đình chuyển vào ở năm 2018.
Ngày nay, in 3D không chỉ về mẫu và sản xuất công nghiệp. Người đam mê, nhà khoa học và mọi người dùng in 3D cho sản xuất sản phẩm, hàng tiêu dùng, y tế, giáo dục, v.v. Đang nhanh chóng trở nên hữu ích cho người tiêu dùng phổ thông.
Oscar Adelman, CEO của Remi, cho biết quy trình đang phổ biến trong ngành nha khoa. Độ chính xác 3D ấn tượng, giúp khách hàng nha khoa tiết kiệm tới 80% chi phí so với giá phòng khám truyền thống.
"Khi công nghệ in nhanh hơn, rẻ hơn, phổ biến hơn, các ngành như nha khoa sẽ dựa nhiều hơn vào công nghệ cho thủ tục hàng ngày," ông nói.
In 4D cũng đang đến, với vật thể in có thể thay đổi hình dạng theo thời gian.
Nguyên lý hoạt động của máy in 3D
Có nhiều công nghệ in 3D, bao gồm Fused Deposition Modeling (FDM), còn gọi là Fused Filament Fabrication (FFF). FDM phổ biến nhất, dùng trong hầu hết máy in 3D giá rẻ.
Phương pháp FDM dùng sợi dây vật liệu nhựa (filament), giống như sợi dây. Filament từ cuộn đưa vào đầu nóng, chảy nhựa. Đầu phun đẩy nhựa chảy ra bàn in. Đầu di chuyển trên bàn theo 2D, 쌓 lớp vật liệu đầu tiên.
Hoàn thành lớp đầu, đầu phun nâng lên bằng độ dày lớp, đè lớp tiếp theo lên trên. Vật thể được xây dựng từng lớp, như nướng ổ bánh mì từng lát.
Máy in FDM phổ biến: MakerBot, Ultimaker.
Ví dụ quy trình sử dụng máy in 3D FDM
Đây là quy trình đơn giản in 3D trên máy FDM.
-
Tải mô hình 3D muốn in, hoặc tự thiết kế.
Tìm mô hình trên Thingiverse, GrabCAD. Tự thiết kế: SketchUp, Blender. Phần kỹ thuật: CAD như SolidWorks.
-
Chuyển mô hình sang định dạng in 3D, thường là file STL.
-
Nhập mô hình vào phần mềm cắt lớp (slicing): MakerWare, Cura, Simplify 3D.
MakerWare dùng cho MakerBot. Cura và Simplify 3D tạo G-code, tương thích hầu hết máy in 3D.
-
Cấu hình bản in trong slicing software. Quyết định hướng đặt mô hình trên máy in. Với FDM, giảm thiểu overhang (phần đè) dốc hơn 45° vì cần cấu trúc hỗ trợ.
Khi chọn hướng, cân nhắc cách mô hình sẽ được tải để các lớp không dễ tách.
Cài đặt infill, viền, lớp trên/dưới trong slicing Để tiết kiệm thời gian và vật liệu, mô hình thường không rỗng. Chỉ định phần trăm infill (thường 10–35%), số lớp viền (thường 1–2), số lớp đáy và đỉnh (thường 2–4). Có thêm yếu tố khác khi chuẩn bị mô hình cho in 3D.
-
Xuất chương trình, thường là file G-code. Slicing software chuyển mô hình và cấu hình bạn chỉ định thành tập lệnh. Máy in 3D theo dõi để xây dựng chi tiết.
-
Chuyển chương trình đến máy in 3D qua thẻ SD, USB, hoặc Wi-Fi.
-
In mô hình trên máy in 3D.
Quá trình in 3D hoàn thành mô hình -
Khi máy in xong, lấy mô hình ra và làm sạch. Gãy bỏ cấu trúc hỗ trợ, chà nhẹ các vết thừa bằng giấy nhám mịn.
Các loại máy in 3D khác
Ngoài FDM, phương pháp in 3D còn bao gồm: Stereolithography (SLA), Digital Light Processing (DLP), Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), Laminated Object Manufacturing (LOM), Electron Beam Melting (EBM).
SLA là công nghệ in 3D lâu đời nhất và vẫn dùng hiện nay. DLP dùng ánh sáng và polymer, SLS dùng laser làm nguồn năng lượng tạo vật thể 3D chắc chắn. SLM, LOM, EBM đã phần lớn mất phổ biến.
Tương lai của in 3D
In 3D có dẫn đến tương lai sản phẩm tùy chỉnh, theo yêu cầu, tạo tức thì theo thông số chính xác? Mặc dù chưa rõ, công nghệ in 3D tăng trưởng nhanh và áp dụng nhiều lĩnh vực.
In 3D nhà ở, cơ quan cơ thể như thận, chi thể, và tiến bộ khác có tiềm năng cải thiện cuộc sống hàng triệu người trên thế giới.