Tổng quan về công nghệ in 3D

Thuật ngữ in 3D bao gồm rất nhiều các quy trình và công nghệ khác nhau, cung cấp đầy đủ các khả năng để sản xuất các bộ phận của sản phẩm và sản phẩm bằng các vật liệu khác nhau. Về cơ bản, tất cả các quy trình và công nghệ đều có điểm chung là việc sản xuất được thực hiện theo từng lớp, từng lớp một, bồi đắp dần để tạo ra sản phẩm; ngược với các phương pháp sản xuất truyền thống sẽ cắt gọt trên nguyên liệu có sẵn, hoặc các quá trình đúc khuôn. Bài viết tổng quan này nhằm mục đích cung cấp cho bạn đọc các thông tin tổng quan đáng tin cậy về công nghệ in 3D, về các hạng mục: In 3D là gì? Ứng dụng, và lợi ích.

In 3D là gì?

In 3D bắt đầu với một tệp tin kỹ thuật số bắt nguồn từ phần mềm thiết kế hỗ trợ bởi máy tính (CAD). Một khi thiết kế được hoàn thành, nó phải được xuất ra thành tập tin STL, có nghĩa là tệp tin được dịch sang thành vô số các mặt và đỉnh của tam giác. Tệp STL sau đó sẽ được cắt thành hàng trăm - đôi khi hàng nghìn - các lớp 2-D (Hình). Máy in 3D sau đó đọc các lớp 2-D, và chạy in từng lớp, từng lớp chồng lên nhau, tạo thành một sản phẩm khối ba chiều. Tất cả các tệp thiết kế, bất kể công nghệ in 3D nào, đều được cắt thành từng lớp trước khi in. Độ dày lớp in - kích thước của từng lớp in - được xác định một phần bởi công nghệ, một phần do vật liệu, và một phần theo độ phân giải và thời gian mong muốn của bạn; các lớp dày hơn tương đương với thời gian in nhanh hơn, các lớp mỏng hơn tương đương với độ phân giải tốt hơn, chi tiết mịn hơn và do đó ít phải xử lý sau khi in.

+ Công nghệ sản xuất bồi đắp

Nguyên tắc cơ bản nhất, phân biệt in 3D với sản xuất truyền thống, là nó là một quy trình sản xuất bồi đắp. In 3D là một phương pháp sản xuất hoàn toàn khác dựa trên công nghệ tiên tiến tạo nên các bộ phận, từng lớp bồi đắp lên, trong các lớp độ chính xác là mm. Điều này về cơ bản khác với bất kỳ kỹ thuật sản xuất truyền thống nào hiện có.

Có một số hạn chế đối với sản xuất truyền thống, vốn là dựa trên lao động của con người và được làm bằng tay hoặc máy móc. Các công nghệ này đều là bớt đi vật liệu từ một khối lớn. Đối với nhiều ứng dụng, các quy trình thiết kế và sản xuất truyền thống gây ra rất nhiều khó khăn, bao gồm công cụ đắt tiền, dụng cụ sản xuất, và cần phải có dây chuyền lắp ráp cho các bộ phận phức tạp. Ngoài ra, các quy trình sản xuất truyền thống, chẳng hạn như gia công, có thể dẫn đến 90% khối lượng nguyên vật liệu bị lãng phí. Ngược lại, in 3D là một quá trình tạo ra các đối tượng trực tiếp, bằng cách thêm lớp vật liệu theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng.

Công nghệ In 3D cho phép khuyến khích và thúc đẩy sự đổi mới, với thiết kế được giải phóng khỏi khuôn khổ, thêm vào đó là một quá trình không cần có công cụ, điều này giúp giảm chi phí và thời gian sản xuất. Các thành phần có thể được thiết kế đặc biệt để tránh yêu cầu lắp ráp khi có các khối hình học và các tính năng phức tạp được tạo ra mà không mất thêm chi phí. In 3D cũng đang nổi lên như là một công nghệ tiết kiệm năng lượng, có thể mang lại hiệu quả về mặt môi trường ngay trong quy trình sản xuất, sử dụng tới 90% vật liệu tiêu chuẩn vì thế cho sản phẩm nhẹ hơn và bền hơn.

Trong những năm gần đây, in ấn 3D đã tiến xa trong quá trình tạo mẫu và quy trình sản xuất công nghiệp vì công nghệ đã trở nên dễ tiếp cận hơn đối với các công ty nhỏ và thậm chí cả cá nhân. Khi các tập đoàn lớn, đa quốc gia có quy mô và tiềm lực kinh tế lớn có thể sở hữu một máy in 3D, và các máy in 3D nhỏ hơn (có khả năng kém hơn một chút) bây giờ có thể được mua với giá dưới 1000 USD. Điều này đã giúp cho công nghệ 3D được tiếp cận nhiều đối tương hơn, và tỷ lệ sử dụng tiếp tục nhân lên theo cấp số nhân, với nhiều ngành nghề, hệ thống, vật liệu và ứng dụng mới của công nghệ in 3D.

Lợi ích của công nghệ in 3D

In 3D, dù ở cấp độ công nghiệp, vùng miền hay cá nhân, đều mang lại nhiều lợi ích mà phương pháp sản xuất truyền thống (hoặc tạo mẫu) đơn giản đều không thể làm được.

Tùy chỉnh

Quá trình in 3D cho phép tuỳ biến hàng loạt - khả năng cá nhân hoá các sản phẩm theo nhu cầu và yêu cầu của từng cá nhân. Ngay cả trong cùng một buồng in, công nghệ in 3D có thể sản xuất được nhiều sản phẩm cùng một lúc theo yêu cầu của người dùng mà không tốn thêm chi phí phát sinh.

Tính phức tạp

Nhờ có phát minh của công nghệ in 3D, thế giới đã chứng kiến sự gia tăng của các sản phẩm (được thiết kế trong môi trường số hoá), có mức độ phức tạp mà không thể sản xuất theo bất kỳ hình thức sản xuất nào khác. Mặc dù ưu điểm này đã được các nhà thiết kế và họa sỹ tận dụng triệt để để có được những sản phẩm có cái nhìn ấn tượng, nó cũng có tác động rất lớn đến các ứng dụng công nghiệp, nhờ đó các ứng dụng đang được phát triển để tạo ra các chi tiết phức tạp, được chứng minh là nhẹ hơn và chịu lực tốt hơn so với sản phẩm được tạo ra bằng phương thức truyền thống. Ứng dụng đáng chú ý là trong ngành hàng không vũ trụ, nơi mà những vấn đề này có tầm quan trọng hàng đầu.

Không cần công cụ

Đối với sản xuất công nghiệp, một trong những giai đoạn tốn kém, mất thời gian và công sức nhất trong quá trình phát triển sản phẩm là sản xuất các công cụ. Đối với các ứng dụng cần sản xuất một khối lượng vừa phải, công nghiệp in 3D hoặc sản xuất phụ gia giúp loại bỏ việc sản xuất dụng cụ, do đó chi phí, thời gian và nhân công liên quan đến nó cũng được cắt giảm. Đây là một sự lựa chọn rất hấp dẫn, mà có ngày càng nhiều các nhà sản xuất đang tận dụng lợi thế. Hơn nữa, nhờ có lợi thế có thể tạo ra chi tiết phức tạp, các sản phẩm có hình khối và các tính năng phức tạp có thể được thiết kế đặc biệt để tránh các yêu cầu cần lắp ráp, vì vậy sẽ loại bỏ lao động và chi phí liên quan đến quá trình lắp ráp

Bền/Thân thiện với môi trường

In 3D cũng đang nổi lên như là một công nghệ tiết kiệm năng lượng; có thể mang lại hiệu quả về mặt môi trường ngay trong quy trình sản xuất, sử dụng tới 90% vật liệu chuẩn, và do đó tạo ra ít phế thải hơn; thêm vào đó, trong suốt quá trình sử dụng sản phẩm được in bằng công nghệ 3D, bởi có thiết kế nhẹ hơn và khoẻ hơn mà sẽ giảm lượng khí thải carbon so với việc sử dụng các sản phẩm được sản xuất truyền thống.

Hơn nữa, in 3D mang lại nhiều hứa hẹn trong việc hoàn thành mô hình sản xuất ngay tại địa phương, sản phẩm sẽ được sản xuất theo nhu cầu ở chính nơi thiết kế - loại yếu tô kho bãi và vận chuyển.

Các ứng dụng của công nghệ in 3D

Nguồn gốc của việc in 3D trong 'Rapid Prototyping' được hình thành dựa trên các nguyên tắc của việc tạo mẫu công nghiệp như là một cách để đẩy nhanh giai đoạn phát triển sản phẩm, một cách nhanh chóng và đơn giản để sản xuất nguyên mẫu cho phép lặp lại nhiều mẫu thử với một giải pháp tối ưu. Điều này tiết kiệm thời gian và tiền bạc ngay từ khi bắt đầu quá trình phát triển toàn bộ sản phẩm và đảm bảo được độ chính xác trước khi làm công cụ sản xuất.

Vì vậy, trong các ứng dụng của công nghệ in 3D ngày nay, Prototyping – tạo mẫu nhanh vẫn là ứng dụng lớn nhất, mặc dù đôi khi bị bỏ quên.

Sự phát triển và cải tiến của quá trình in và các nguyên liệu, kể từ khi công nghệ in 3D mới ra đời cho việc tạo mẫu, cho thấy các quy trình đang được áp dụng cho các ứng dụng tiếp theo trong chuỗi quy trình phát triển sản phẩm. Công nghệ in 3D đã được phát triển và sử dụng trong ứng dụng sản xuất dụng cụ và trong một vài công đoạn của quá trình đúc. Một lần nữa, các ứng dụng này ngày càng được sử dụng và áp dụng trong các ngành công nghiệp.

Tương tự như vậy cho các hoạt động sản xuất cuối cùng, ngày càng có những cải tiến để tạo thuận lợi cho sự tăng trưởng.

Xét về các thị trường ngành dọc đang được hưởng lợi rất nhiều từ nền công nghiệp in 3D, sau đây là một số ngành ứng dụng cơ bản:

>Y khoa và nha khoa

Ngành y tế được xem như là một trong những ngành chấp nhận công nghệ in 3D đầu tiên, và cũng là một ngành có tiềm năng lớn cho sự phát triển, do khả năng tùy biến và cá nhân hoá của công nghệ và khả năng cải thiện cuộc sống của con người khi quá trình và vật liệu được phát triển đạt tiêu chuẩn cấp y tế.

Công nghệ in 3D đang được sử dụng cho một loạt các ứng dụng khác nhau. Ngoài các nguyên mẫu để hỗ trợ phát triển sản phẩm mới cho ngành y tế và nha khoa, các công nghệ này cũng được sử dụng để làm khuôn mẫu cho việc đúc kim loại cho mão và cầu răng hoặc trong việc sản xuất các dụng cụ nhựa để hình thành các bộ khung để tạo các bộ chỉnh răng. Công nghệ này cũng được tận dụng trực tiếp để sản xuất cả mặt hàng cần sẵn, chẳng hạn như hông và đầu gối cần cấy ghép, và các sản phẩm cụ thể cho bệnh nhân, như máy trợ thính, đế lót đệm cho giày dép, chi giả và các mô cấy một lần cho bệnh nhân mắc các bệnh như viêm xương khớp, loãng xương và ung thư, cũng như nạn nhân bị tai nạn và chấn thương. Các dẫn hướng phẫu thuật 3D được in cho từng ca phẫu thuật cụ thể cũng là một ứng dụng mới nổi giúp các bác sĩ phẫu thuật thuận lợi hơn và bệnh nhân hồi phục tốt hơn. Công nghệ cũng đang được phát triển để in 3D các sản phẩm da, xương, mô, dược phẩm và thậm chí các cơ quan của con người. Tuy nhiên, những công nghệ này vẫn còn mất nhiều thập niên nữa để được đưa vào thực tế.

>Hàng không vũ trụ

Giống như ngành y tế, lĩnh vực hàng không vũ trụ đã sớm đưa công nghệ in 3D vào phát triển sản phẩm và tạo mẫu. Các công ty này, thường làm việc cùng với các học viện và viện nghiên cứu, tham gia vào các công việc mũi nhọn và đẩy mạnh ranh giới của công nghệ in 3D cho các ứng dụng sản xuất.

Do tính chất quan trọng của phát triển máy bay, việc nghiên cứu và phát triển đòi hỏi rất cao và vất vả, có rất nhiều các tiêu chuẩn quan trọng được đề ra và các hệ thống in 3D công nghiệp được thực hiện thông qua các tiêu chuẩn này. Sự phát triển của quy trình và vật liệu đã chứng kiến một số ứng dụng chủ chốt được phát triển dành riêng cho ngành hàng không vũ trụ và một số các chi tiết đều sẵn sàng trên máy bay.

Những nhà sản xuất danh tiếng đã sử dụng công nghệ in 3D bao gồm GE/ Morris Technologies, Airbus/ EADS, Rolls-Royce, BAE Systems và Boeing. Trong khi hầu hết các công ty này thực hiện một cách tiếp cận thực tế về những gì họ đang làm, và hầu hết là trong nghiên cứu R & D, một số khách hàng rất lạc quan về tương lai.

>Ô tô

Một ngành sử dụng đầu tiên về công nghệ Rapid Prototying - ứng dụng tiêu biểu, hiện thân của công nghệ in 3D - là ngành ô tô. Nhiều công ty ô tô - đặc biệt là xe đua thể thao và công thức F1 - đã đi theo quỹ đạo tương tự như các công ty hàng không. Đầu tiên (và vẫn còn) sử dụng công nghệ in 3D cho tạo mẫu, nhưng phát triển và thích nghi ứng dụng in 3D trong quy trình sản xuất của họ để kết hợp các lợi ích của vật liệu cải tiến và kết quả tốt cuối cùng cho các bộ phận của ô tô.

Nhiều công ty ô tô hiện đang xem xét tiềm năng của công nghệ in 3D để hoàn thành các chức năng sau bán hàng về sản xuất phụ tùng thay thế, theo yêu cầu chứ không cần thiết phải là trữ một lượng hàng tồn kho khổng lồ.

Đồ kim hoàn

Theo truyền thống, thiết kế và quy trình sản xuất đồ trang sức luôn đòi hỏi trình độ chuyên môn cao và kiến thức về các nguyên tắc cụ thể bao gồm chế tạo, làm khuôn, đúc, mạ điện, rèn bạc /vàng, cắt đá, khắc và đánh bóng. Mỗi một nguyên tắc này đã phát triển qua nhiều năm và mỗi cái yêu cầu kiến thức về kỹ thuật rất cao khi áp dụng cho sản xuất đồ trang sức. Một ví dụ là đúc mẫu chảy - nguồn gốc của nó có thể được lưu truyền từ hơn 4.000 năm.

Đối với ngành đồ trang sức, in 3D tỏ ra đặc biệt gây rối. Có rất nhiều lợi ích - và sự tiếp nhận - dựa trên cách in ấn 3D có thể và sẽ góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp này. Từ những thiết kế mới được tự do sáng bởi CAD 3D và in 3D, cho tới việc cải tiến các quy trình truyền thống cho sản xuất đồ trang sức và đó là sản xuất in 3D trực tiếp, loại bỏ nhiều bước truyền thống, in ấn 3D đã và đang tiếp tục có một tác động to lớn trong ngành trang sức này.

Nghệ thuật / Thiết kế / Điêu khắc

Các nghệ sỹ và nhà điêu khắc tham gia vào việc in 3D với vô số cách khác nhau để khám phá khuôn hình và chức năng theo những cách mà trước đây không thể. Cho dù thuần túy để tìm các cách làm mới hoặc để học hỏi từ các nghệ nhân, là một ngành đòi hỏi chi phí cao, mà ngày càng cần tìm thêm các cách mới dựa trên công nghệ in 3D và giới thiệu các kết quả ấy cho thế giới. Có rất nhiều nghệ sĩ đã làm nên tên tuổi cho mình bằng cách làm việc với mô hình 3D, công nghệ quét 3D và công nghệ in 3D: Joshua Harker; Dizingof; Jessica Rosenkrantz at Nervous System; Pia Hinze; Nick Ervinck; Lionel Dean and nhiều nghệ nhân khác.

Tuy nhiên, kỷ luật của việc quét 3D cùng với việc in 3D cũng mang lại một chiều hướng mới cho thế giới nghệ thuật, trong đó các nghệ sỹ và sinh viên hiện nay có một phương pháp đã được kiểm chứng để tái tạo lại tác phẩm của các bậc thầy trong quá khứ và tạo ra các bản sao chính xác của các tác phẩm cổ đại (và gần đây hơn) các tác phẩm điêu khắc để có thể nghiên cứu kỹ lưỡng - những tác phẩm nghệ thuật mà nếu họ không thể tương tác với tác giả được nữa. Tác phẩm của Cosmo Wenman đặc biệt đi đầu trong lĩnh vực này.

>Kiến trúc

Các mô hình kiến trúc từ lâu đã là một ứng dụng chủ yếu của công nghệ in 3D, để tạo ra các mô hình mẫu chính xác về ý tưởng của kiến trúc sư. In 3D cung cấp phương pháp tương đối nhanh, dễ dàng và tiết kiệm về mặt kinh tế để sản xuất mô hình chi tiết trực tiếp từ 3D CAD, BIM hoặc các dữ liệu số khác mà kiến trúc sư sử dụng. Nhiều công ty kiến trúc thành công hiện nay thường sử dụng in 3D (ngay tại khu thiết kế hoặc thuê dịch vụ) như là một phần quan trọng trong quy trình công việc của họ để tăng cường sự đổi mới và cải thiện truyền thông.

Gần đây, một số kiến trúc sư có tầm nhìn xa trông chờ vào việc in 3D như một phương pháp xây dựng nhà trực tiếp. Nghiên cứu đang được tiến hành tại một số tổ chức có nghiên cứu về kiến trúc, đáng chú ý nhất là Đại học Loughborough, Contour Crafting and Universe Architecture.

>Thời trang

Vì quy trình in 3D đã được cải thiện về độ phân giải và các vật liệu linh hoạt hơn, nên một ngành công nghiệp nổi tiếng về các thí nghiệm và các tuyên bố thái quá đã trở nên nổi bật. Chúng tôi đang nói về thời trang!

Các phụ kiện in 3D bao gồm giày dép, đầu mũ, mũ và túi đều đã có mặt trên các sàn catwalk toàn cầu. Và một số nhà thiết kế thời trang thậm chí còn sáng tạo hơn đã chứng minh được khả năng của công nghệ in 3Dcho các bộ váy thời trang cao cấp, áo choàng, áo choàng dài và thậm chí là đồ lót đã ra mắt tại nhiều địa điểm khác nhau trên thế giới.

Iris van Herpen nên được nhắc tới đặc biệt là người tiên phong hàng đầu trong dòng chảy này. Cô đã sản xuất một số bộ sưu tập - được mô phỏng trên những sàn catwalk của Paris và Milan - kết hợp việc in 3D để thổi 'những quy tắc bình thường' không còn phù hợp với thiết kế thời trang nữa. Nhiều người đã theo, và tiếp tục đi theo, và họ đã có được những thành quả hoàn toàn mới.

Món ăn

Một ứng dụng “tới muộn”: In 3D thức ăn (và / hoặc nguyên liệu nấu) - một ứng dụng mới nổi lên đang khiến mọi người rất phấn khích và có khả năng thực sự đưa công nghệ 3D vào một dòng chảy lớn. Rốt cuộc, tất cả chúng ta sẽ luôn luôn cần ăn! In 3D sẽ mở ra một cách thức mới để chuẩn bị và trình bày món ăn.

Những bước đột phá ban đầu trong thực phẩm in 3D là với sôcôla và đường, và những sự phát triển này tiếp tục tràn ngập với các máy in 3D đặc biệt đang xuất hiện trên thị trường. Một số thử nghiệm đầu tiên với thực phẩm bao gồm in 3D "thịt" ở mức protein tế bào. Gần đây mì ống là một nhóm thực phẩm khác đang được nghiên cứu về thực phẩm in 3D.

Nhìn vào tương lai, in 3D cũng đang được coi là một phương pháp chuẩn bị thức ăn hoàn hảo và là một cách cân bằng các chất dinh dưỡng một cách toàn diện và lành mạnh.

Khách tiêu dùng

Một thị trường tiềm năng cho các nhà cung cấp in 3D là người tiêu dùng cần in 3D. Có một cuộc tranh luận rộng rãi về việc liệu đây có phải là một tương lai khả thi hay không. Hiện tại, khả năng sử dụng của người tiêu dùng còn thấp do có vấn đề về khả năng tiếp cận với cách sử dụng. Có một sự cải tiến ở các công ty in 3D lớn trên thế giới như 3D Systems và Makerbot, một công ty con của Stratasys, đang tiến xa theo hướng này. Họ cố gắng làm cho quá trình in 3D và các thành phần phụ trợ (phần mềm, tệp dữ liệu số vv) dễ tiếp cận hơn và thân thiện với người dùng. Hiện tại có ba cách chính mà người tiêu dùng có thể tương tác với công nghệ in 3D một cách dễ dàng:

  • Thiết kế + in
  • Chọn tệp tin + in
  • Chọn tệp tin + Thực hiện dịch vụ in 3D