In 3d là gì? Các nghiên cứu, bài báo khoa học về In 3d

In 3D là gì?

In 3D (3D printing), hay còn gọi là sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing), là một quá trình tạo ra các vật thể vật lý bằng cách thêm vật liệu theo từng lớp dựa trên thiết kế kỹ thuật số. Khác với các phương pháp sản xuất truyền thống (như đúc, cắt gọt hoặc gia công CNC), in 3D cho phép chế tạo những hình dạng phức tạp mà không cần khuôn đúc, giảm thiểu vật liệu lãng phí và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm.

Đây là một trong những công nghệ đang dẫn đầu xu hướng “cá nhân hóa sản xuất” trong thời đại công nghiệp 4.0. Nhờ tính linh hoạt và khả năng tùy chỉnh cao, in 3D đang được ứng dụng rộng rãi từ ngành công nghiệp nặng, y học, hàng không, đến sản phẩm tiêu dùng.

Lịch sử phát triển của công nghệ in 3D

In 3D xuất hiện từ thập niên 1980. Charles Hull là người đầu tiên phát minh ra công nghệ in 3D dạng Stereolithography (SLA) vào năm 1984, và sau đó thành lập công ty 3D Systems. Từ đó, công nghệ này liên tục phát triển với sự ra đời của nhiều phương pháp và vật liệu mới.

Vào những năm 2000, in 3D bắt đầu mở rộng ra thị trường tiêu dùng nhờ sự phát triển của các máy in FDM giá rẻ. Đến những năm 2010, công nghệ này bắt đầu được ứng dụng ở quy mô công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực y tế, hàng không và sản xuất linh kiện chính xác.

Nguyên lý hoạt động của in 3D

Quy trình in 3D có thể được tóm tắt qua các bước cơ bản sau:

1. Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm CAD (Computer-Aided Design).
2. Chuyển đổi tệp mô hình sang định dạng phù hợp (STL, OBJ,...).
3. Dùng phần mềm “slicer” để chia mô hình thành các lớp mỏng (layer).
4. Máy in hoạt động theo từng lớp: nung chảy, chiếu tia laser hoặc ép vật liệu theo từng hình cắt để tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh.

Toàn bộ quá trình được điều khiển tự động bởi phần mềm điều khiển máy in.

Các công nghệ in 3D phổ biến

Các công nghệ in 3D hiện nay được phân loại chủ yếu dựa trên cách xử lý vật liệu. Một số công nghệ tiêu biểu gồm:

1. Fused Deposition Modeling (FDM)

Là công nghệ phổ biến nhất, đặc biệt với người dùng cá nhân. Máy in FDM hoạt động bằng cách đun chảy nhựa nhiệt dẻo và đùn ra đầu phun để xây dựng từng lớp vật thể.

2. Stereolithography (SLA)

Sử dụng tia laser UV chiếu vào nhựa cảm quang để làm cứng vật liệu từng lớp. SLA cho độ chính xác và chi tiết cao, phù hợp với ngành nha khoa, trang sức và y học.

3. Digital Light Processing (DLP)

Tương tự SLA nhưng sử dụng máy chiếu ánh sáng kỹ thuật số thay vì tia laser. Tốc độ in nhanh hơn SLA.

4. Selective Laser Sintering (SLS)

Dùng tia laser công suất cao để nung chảy bột polyme, kim loại hoặc gốm. SLS không cần giá đỡ vì lớp bột xung quanh giữ ổn định sản phẩm trong quá trình in.

5. Direct Metal Laser Sintering (DMLS) và Selective Laser Melting (SLM)

Chuyên dùng để in kim loại trong công nghiệp hàng không, y tế và quốc phòng. DMLS nung chảy bột kim loại, còn SLM làm chảy hoàn toàn bột để tạo liên kết đồng nhất.

Chi tiết về từng công nghệ bạn có thể xem tại 3D Systems - 3D Printing Processes.

Vật liệu sử dụng trong in 3D

Tùy vào công nghệ in, vật liệu sử dụng có thể rất đa dạng:

• Polyme: PLA, ABS, PETG, TPU, Nylon – chủ yếu dùng cho FDM.
• Resin cảm quang: Standard, Tough, Flexible, Dental – dùng cho SLA/DLP.
• Bột polyme: PA12, PA11, TPE – dùng cho SLS.
• Kim loại: Thép không gỉ, titanium, nhôm, cobalt-chrome – dùng cho SLM/DMLS.
• Gốm: Zirconia, Alumina – dùng trong y học và điện tử.

Mỗi loại vật liệu đều có đặc tính riêng về độ bền, dẻo, chịu nhiệt và chi phí.

Ưu điểm và hạn chế của in 3D

Ưu điểm

• Tạo mẫu nhanh chóng, rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm.
• Giảm chi phí sản xuất cho lô nhỏ hoặc sản phẩm tùy biến.
• Tự do thiết kế – tạo ra hình học phức tạp mà các phương pháp truyền thống không làm được.
• Giảm lãng phí vật liệu so với gia công cắt gọt.
• Dễ dàng sửa đổi thiết kế mà không cần thay đổi công cụ hay khuôn mẫu.

Hạn chế

• Chi phí đầu tư cao cho máy công nghiệp và vật liệu chuyên dụng.
• Thời gian in lâu với sản phẩm kích thước lớn hoặc độ phân giải cao.
• Độ bền cơ học và bề mặt sản phẩm thường thấp hơn phương pháp đúc/gia công.
• Yêu cầu xử lý sau in để hoàn thiện sản phẩm (mài, sơn, đánh bóng,...).

Ứng dụng của in 3D trong đời sống và công nghiệp

1. Y học

In mô hình giải phẫu cho đào tạo, thiết kế và in chân tay giả, thiết bị chỉnh hình cá nhân hóa. Thậm chí đang được nghiên cứu để in mô sinh học (bioprinting).

2. Hàng không – Vũ trụ

In linh kiện kim loại nhẹ, bền như buồng đốt tên lửa, các chi tiết phức tạp không thể gia công bằng phương pháp thông thường. Xem thêm ứng dụng tại GE Additive – Aerospace.

3. Ô tô

In mẫu thử nhanh, khuôn dập, linh kiện tùy chỉnh, tối ưu hóa thiết kế giảm trọng lượng xe.

4. Thời trang và mỹ nghệ

In phụ kiện, giày dép, trang sức hoặc các bộ sưu tập mang tính nghệ thuật và cấu trúc độc đáo.

5. Xây dựng

In nhà ở hoặc cấu kiện bê tông đúc sẵn, rút ngắn thời gian thi công và chi phí nhân công.

Các công thức kỹ thuật trong in 3D

1. Tính thể tích cần in:

$V = \sum_{i=1}^{n} A_i \cdot h$

Trong đó $A_i$ là diện tích lớp thứ $i$, $h$ là chiều cao lớp in (layer height).

2. Tính thời gian in ước tính:

$T = \frac{L}{v} + t_{warmup} + t_{cool}$

Trong đó:

• $L$: Tổng chiều dài đường in.
• $v$: Tốc độ in trung bình (mm/s).
• $t_{warmup}$: Thời gian khởi động máy in.
• $t_{cool}$: Thời gian làm nguội sau in.

3. Tính toán lượng vật liệu cần dùng:

$M = \rho \cdot V$

Với $\rho$ là khối lượng riêng của vật liệu (g/cm³), $V$ là thể tích in.

Kết luận

In 3D không còn là công nghệ viễn tưởng mà đã trở thành một phần thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp. Việc nắm vững các công nghệ, vật liệu, ưu – nhược điểm và quy trình sẽ giúp doanh nghiệp và cá nhân khai thác hiệu quả tiềm năng mà in 3D mang lại.

Để tiếp tục tìm hiểu, bạn có thể tham khảo các nguồn uy tín sau:

• Autodesk – 3D Printing Overview
• Formlabs Blog
• 3Dnatives – 3D Printing News