MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BỒI ĐẮP (ADDITIVE MANUFACTURING, 3D PRINTING) 2 1 1 Định nghĩa 2 1 2 Các phương pháp được sử dụng trong công nghệ in 3D 2 1 2 1 Nguyên lý chung của phương pháp in 3D 2 1 2 2 Công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS) 3 1 2 3 Công nghệ “Tạo hình nhờ tia laser” (stereolithography SLA) 6 1 2 4 Công nghệ “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling FDM) 7 1 2 5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (Laminate.
Định nghĩa
Công nghệ in 3D, hay còn gọi là sản xuất đắp dần, là một phương pháp sản xuất hiện đại tạo ra các đối tượng bằng cách xây dựng từng lớp một Khác với các kỹ thuật truyền thống như đúc hoặc cắt gọt, in 3D mang lại khả năng tạo hình linh hoạt và tiết kiệm nguyên liệu.
- Additive manufacturing là phương pháp mở rộng hơn của in 3D.
Additive manufacturing là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều.
Các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể
Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu điện tử khác.
Công nghệ sản xuất đắp dần, hay còn gọi là in 3D, là quá trình tạo ra đối tượng vật lý bằng cách in theo từng lớp từ một mô hình 3D có sẵn Khác với phương pháp chế tạo cắt gọt, trong đó vật liệu thừa được loại bỏ từ phôi ban đầu để đạt hình dạng mong muốn, công nghệ in 3D bắt đầu từ vật liệu rời và xây dựng sản phẩm từ một mẫu kỹ thuật số.
Các phương pháp được sử dụng trong công nghệ in 3D
Nguyên lý chung của phương pháp in 3D
Bước đầu tiên trong quá trình in 3D là tạo ra một bản thiết kế 3D trên phần mềm CAD Mô hình có thể được thiết kế trực tiếp trên phần mềm hoặc nhập vào thông qua thiết bị quét laser.
Sau khi hoàn thành bản thiết kế, cần tạo tài liệu STL (Standard Tessellation Language), một định dạng phổ biến trong công nghệ sản xuất đắp dần Quá trình tesselate theo ngôn ngữ Tessellation chuẩn giúp chia nhỏ vật thể thành các đa giác, mô phỏng cấu trúc bên ngoài và bên trong của nó.
Sau khi tài liệu hoàn thiện, hệ thống sẽ phân chia thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông tin đến thiết bị sản xuất đắp dần Hệ thống này sẽ tự động chế tạo vật thể theo từng lớp cho đến khi sản phẩm hoàn thiện.
Để sản xuất các vật thể, hệ thống máy in 3D sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, tùy thuộc vào bản chất của vật liệu Nguyên liệu trong in 3D có thể là vật liệu rắn như nhựa, kim loại, polymer; vật liệu lỏng như nhựa lỏng được đông cứng nhờ laser hoặc ánh sáng điện tử; hoặc vật liệu dạng bột như bột kim loại và bột gốm, được kết dính để tạo thành sản phẩm.
Sau quá trình sản xuất, khâu hoàn thiện rất quan trọng, bao gồm việc loại bỏ bụi bẩn và các chất liệu không mong muốn bám trên sản phẩm Đôi khi, cần thực hiện thêm quá trình thêu kết để lấp đầy các lỗ hổng, hoặc sử dụng các phương pháp thẩm thấu để phủ kín sản phẩm bằng vật liệu khác.
Current 3D printing technologies include Selective Laser Sintering (SLS), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithography, and Inkjet Bioprinting.
Mỗi công nghệ in 3D đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các mục đích khác nhau Một số công nghệ chỉ cho phép sử dụng vật liệu duy nhất, trong khi những công nghệ khác lại linh hoạt, có khả năng làm việc với nhiều loại và dạng vật liệu khác nhau.
Công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS) 3 1.2.3 Công nghệ “Tạo hình nhờ tia laser” (stereolithography - SLA)
HÌNH 1.1: MÔ HÌNH CÔNG NGHỆ SLS
Phương pháp SLS tận dụng tính chất của vật liệu bột có khả năng hóa rắn khi chịu tác động của nhiệt, bao gồm nylon, elastomer và kim loại Quá trình này bắt đầu bằng việc trải một lớp mỏng bột nguyên liệu lên bề mặt của xy lanh công tác thông qua một trống định mức.
Quá trình tia laser hóa rắn (kết tinh) bột trong đường biên của mặt cắt không làm chảy hoàn toàn chất bột, mà chỉ làm cho chúng dính chặt tại các bề mặt tiếp xúc Trong một số trường hợp, có thể áp dụng phương pháp nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hóa trong phương pháp tạo hình lập thể SLA.
Xy lanh hạ xuống với độ dày tương ứng của lớp kế tiếp, sau đó bột nguyên liệu được đưa vào Quá trình này tiếp tục lặp lại cho đến khi chi tiết hoàn thành.
Trong quá trình chế tạo, các phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được loại bỏ sau khi hoàn thành chi tiết, đóng vai trò như bộ phận phụ trợ cho lớp mới được xây dựng Phương pháp này có thể giúp giảm thời gian chế tạo chi tiết hiệu quả.
HÌNH 1.2: MỘT SỐ DẠNG SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ SLS
- Vật liệu được sử dụng trong công nghệ SLS
Phương pháp SLS có thể được sử dụng cho nhiều loại vật liệu như policabonate, PVC, ABS, nylon và sáp Các chi tiết được chế tạo bằng công nghệ SLS thường có bề mặt nhám và tồn tại những lỗ hổng nhỏ, do đó cần thực hiện xử lý tinh sau quá trình sản xuất để cải thiện chất lượng bề mặt.
Những ưu và nhược điểm của công nghệ SLS
Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm.
Tạo ra các mẫu đa dạng với nhiều màu sắc, cho phép thiết kế các hình dạng phức tạp mà không cần sử dụng vật liệu hay cấu trúc hỗ trợ.
SLS đã được sử dụng chủ yếu để tạo nguyên mẫu, nhưng gần đây đã được ứng dụng cho sản xuất theo từng yêu cầu cụ thể.
Công nghệ SLS là lựa chọn lý tưởng cho việc in 3D các mô hình có thành mỏng và chi tiết cần độ dẻo, đặc biệt là các mô hình lớn hoặc có phần rỗng ở đáy So với công nghệ FDM, SLS mang lại độ mịn bề mặt cao hơn, mặc dù việc phân biệt độ mịn giữa các lớp in bằng mắt thường là rất khó khăn.
Mặc dù các mô hình kín và có phần rỗng bên trong mang lại một số lợi ích, nhưng chúng cũng gặp phải nhược điểm đáng kể, bao gồm sự phức tạp trong thiết kế, chi phí đầu tư ban đầu cao và chi phí vận hành lớn do hao hụt vật liệu Việc sử dụng một lượng vật liệu đáng kể trong quá trình sản xuất và vận hành là một yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.
1.2.3 Công nghệ “Tạo hình nhờ tia laser” (stereolithography - SLA)
Sau khi tập tin 3D CAD được kết nối dưới ngôn ngữ STL (Tessellation language) thì quá trình in được bắt đầu:
Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này,
Các lớp vật liệu được xếp chồng lên nhau cho đến khi đạt được chỉ số kỹ thuật mong muốn của sản phẩm Đối với công nghệ in 3D SLA, độ dày của các lớp có thể điều chỉnh từ 0.06mm đến 0.1mm tùy thuộc vào yêu cầu in ấn.
HÌNH 1.3: MÔ HÌNH CẤU TẠO CỦA SLA
- Vật liệu được sử dụng trong công nghệ SLA: Công nghệ này chủ yếu sử dụng vật liệu nhựa ở dạng lỏng.
Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ chi tiết cao, sắc nét và chính xác.
Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa hiện nay được đánh giá là tốt nhất, cho phép tạo ra sản phẩm với độ phân giải và độ mịn cao nhất Những sản phẩm in 3D từ nhựa này có thể được sử dụng ngay lập tức, mang lại hiệu quả và chất lượng vượt trội.
Vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời
Hình 1.4: Hình ảnh sản phẩm được tạo ra từ công nghệ SLA
Công nghệ “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM)
Công nghệ FDM/FFF dựa trên nguyên tắc làm nóng chảy sợi nhựa được lắng lại thông qua một đầu phun nhiệt trên một bề mặt.
Đầu phun được điều khiển dựa trên dữ liệu 3D mà máy in nhận được, cho phép mỗi lớp sau khi lắng lại sẽ rắn hóa và liên kết chặt chẽ với lớp in trước đó.
- Máy in 3D công nghệ FDM:
Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối.
Vật liệu sử dụng ở dạng sợi có đường kính từ 1.75 – 3mm, được dẫn từ một cuộn tới đầu đùn mà chuyển động điều khiển bằng động cơ servo.
Khi sợi được cấp tới đầu đùn nó được làm nóng sau đó nó được đẩy ra qua vòi đùn lên mặt phẳng đế.
Trong công nghệ in 3D FDM, vật liệu nóng chảy được đẩy ra từ đầu đùn, di chuyển theo một biên dạng 2D Độ rộng của đường đùn có thể được điều chỉnh linh hoạt, giúp tạo ra các chi tiết với độ chính xác và chất lượng cao.
Kích thước vòi đùn dao động từ 0,193mm đến 0,965mm, được xác định bởi kích thước miệng đùn Do miệng vòi đùn không thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, việc phân tích các mô hình trước khi lựa chọn vòi đùn phù hợp là rất cần thiết.
HÌNH 1.5: NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY IN 3D CÔNG NGHỆ FDM
- Vật liệu được sử dụng FDM :Những vật liệu phổ biến nhất dành cho máy in 3D
FFF ở cấp độ sơ cấp chính là nhựa ABS và PLA.
Công nghệ in 3D giá rẻ và dễ dàng sửa chữa, thay thế chi tiết máy móc, cho phép sản xuất với số lượng lớn và tiết kiệm nguyên liệu Đây là giải pháp lý tưởng cho các sản phẩm cần khả năng chịu lực, với tốc độ tạo hình 3D nhanh chóng.
Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM nổi bật với quy trình đơn giản và dễ bảo trì, khác biệt hoàn toàn so với các công nghệ như SLA, LOM, hay SLS, vốn sử dụng tia laser để hình thành sản phẩm Với độ tin cậy cao, FDM là lựa chọn lý tưởng cho những ai tìm kiếm hiệu suất và sự tiện lợi trong sản xuất mẫu.
Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi, và do đó sẽ không gây ô nhiễm môi trường xung quanh.
Thiết bị hoạt động tạo ra ít tiếng ồn.
- Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao Khả năng chịu lực không đồng nhất.
Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (Laminated Object Manufacturing – LOM) 9 1.2.6 Công nghệ “Laser kim loại thiêu kết trực tiếp” (Direct metal laser
Đầu tiên, thiết bị nâng (đế) ở vị trí cao nhất cách con lăn nhiệt một khoảng bằng đúng độ dày của lớp vật liệu.
Con lăn nhiệt sẽ tiến hành cán lớp vật liệu, trong đó có chất kết dính nằm dưới bề mặt Khi chất kết dính này được ép và gia nhiệt bởi trục lăn, nó sẽ tạo ra sự liên kết chắc chắn với lớp vật liệu trước đó.
Hệ thống quang học chuyển tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng đã thiết kế trong mô hình CAD Tia laser sẽ cắt vật liệu theo đường viền của mặt cắt lát, trong khi phần vật liệu dư sẽ được thu hồi thông qua con lăn hồi liệu.
Sau khi đế hạ xuống bằng cẩu nâng, vật liệu mới được nạp vào, cơ cấu nâng sẽ từ từ đưa đế lên đến vị trí thấp hơn chiều cao trước đó Trục cán sẽ tạo liên kết giữa lớp thứ hai và lớp thứ nhất với đúng độ dày của lớp vật liệu kế tiếp Chu trình này được lặp lại cho đến khi hoàn tất.
HÌNH 1.6: HÌNH DÁNG MÁY IN 3D CÔNG NGHỆ LOM VÀ MỘT SỐ SẢN
- Vật liệu được sử dụng trong công nghệ LOM:
Theo nguyên tắc, tất cả các vật liệu dạng tấm đều có thể áp dụng cho hệ thống LOM Tuy nhiên, các vật liệu thường được sử dụng phổ biến nhất trong LOM bao gồm giấy, nhựa, gốm và vật liệu composite.
Vật liệu đa dạng, rẻ tiền Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm.
Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25 mm.
Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu.
Không cần thiết kết cấu hỗ trợ.
Công nghệ cắt laser mang lại tốc độ cao hơn so với các phương pháp tạo lớp khác, nhờ vào việc tia laser chỉ quét theo chu vi bên ngoài thay vì cắt toàn bộ diện tích Điều này cho phép cắt các vật liệu dày và mỏng với tốc độ tương đương.
Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút của vật liệu.
Không độc hại và ô nhiễm môi trường
Không thu hồi được vật liệu dư.
Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính của phương pháp LOM.
Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn.
Độ bóng bề mặt không cao.
1.2.6 Công nghệ “Laser kim loại thiêu kết trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS)
Công nghệ DMLS là một trong những công nghệ đầu tiên sản xuất nhiều bộ phận kim loại trong một quy trình.
Công nghệ DMLS sử dụng kim loại bột có đường kính khoảng 20 micron, không chứa chất kết dính, và hoàn toàn tan chảy dưới chùm tia laser công suất cao, tạo ra một vật liệu mới với các đặc tính của kim loại ban đầu Sản phẩm thương mại tiêu biểu của công nghệ này là máy tạo mẫu nhanh EOSINT M 270, có khả năng gia công các chi tiết với kích thước tối đa 250mm x 250mm x 215mm và độ dày mỗi lớp từ 20 µm đến 100 µm Quy trình gia công chi tiết trên hệ thống này được thực hiện một cách hiệu quả và chính xác.
Nhận dữ liệu thiết kế 3D dưới dạng stl, kiểm tra hình dạng, vị trí trước khi gia công
Tiếp theo, tiến hành phủ bột kim loại thành các lớp mỏng và sử dụng tia laser Yb-fiber 200w để làm nóng chảy và đông đặc bột kim loại tại những khu vực cần thiết.
Quá trình sản xuất bằng công nghệ DMLS diễn ra liên tục cho đến khi hoàn tất sản phẩm Sau khi gia công, sản phẩm có thể được tiếp tục xử lý qua CNC, nhiệt luyện và đánh bóng để đạt được chất lượng cao hơn Bên cạnh đó, bột kim loại chưa thiêu kết có thể được tái sử dụng cho các lần sản xuất tiếp theo, giúp tiết kiệm nguyên liệu và giảm lãng phí.
- Vật liệu được sử dụng trong công nghệ DMLS:
DMLS sử dụng nguyên liệu là vật liệu bột kim loại(đường kính khoảng 20 micron), không chứa chất kết dính hoặc chất dẫn xuất.
Công nghệ DMLS cho phép sản xuất các sản phẩm kim loại với mật độ vượt quá 95%, vượt trội hơn so với công nghệ SLS chỉ đạt 70% Điều này mang lại độ chính xác và chi tiết cao, nhờ vào việc mỗi lớp tạo hình chỉ dày 20 micromet.
Công nghệ DMLS (Direct Metal Laser Sintering) được ứng dụng để sản xuất các bộ phận trực tiếp cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm hàng không vũ trụ, nha khoa và y tế Công nghệ này đặc biệt hiệu quả cho việc tạo ra các sản phẩm có kích thước nhỏ đến trung bình.
Công nghệ DMLS cho phép sản xuất các bộ phận phức tạp cho cấy ghép và tàu không gian với tiêu chuẩn chịu nhiệt cao Đây là giải pháp tiết kiệm chi phí và thời gian hiệu quả.
Đòi hỏi kỹ năng thiết kế, sản xuất và kiến thức chuyên ngành cần thiết.
Giới hạn sản xuất cho các bộ phận tương đối nhỏ.
Sản phẩm cần phải xử lý hậu kỳ.
Công nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting)
Công nghệ in phun sinh học là một phương pháp tiên tiến, cho phép thiết kế cấu trúc tế bào 3D, mở ra nhiều cơ hội mới cho các liệu pháp cấy ghép.
HÌNH 1.7:CÔNG NGHỆ IN PHUN SINH HỌC GIÚP TÁI TẠO 100% MÔ HÌNH QUẢ
Đối tượng in 3D được hình thành thông qua việc phun một hỗn hợp vật liệu giàn giáo, chẳng hạn như hydrogel chứa đường, cùng với các tế bào sống được nuôi cấy từ mô của bệnh nhân.
Sau khi in, mô được đặt trong một buồng với nhiệt độ và điều kiện ôxy thích hợp để tạo điều kiện cho tế bào tăng trưởng.
Khi các tế bào đã được kết hợp, “vật liệu giàn giáo” được lấy ra và mô đã sẵn sàng để được cấy ghép.
- Vật liệu được sử dụng trong công nghệ in phun sinh học:
Trong in phun sinh học, vật liệu được sử dụng là các tế bào của con người chứ không phải là mực.
Máy in sinh học 3D có khả năng tạo ra mô và cơ quan bằng cách xây dựng chúng theo từng lớp, giúp đạt được hình học giải phẫu chính xác.
In sinh học 3D có thể thu được bằng in bằng laser hỗ trợ sinh học (LaBP) hoặc in phun (IBP).
Ứng dụng của 3Dprinting
Công nghiệp sản xuất/chế tạo
Các ngành công nghiệp sản xuất/chế tạo đang ngày càng ứng dụng công nghệ in 3D, cho phép sản xuất các bộ phận phức tạp với số lượng ít, cắt giảm phế liệu và tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm Công nghệ này giúp đơn giản hóa quản lý chuỗi cung ứng bằng cách sản xuất tại chỗ, từ đó mang lại lợi thế chi phí sản xuất và cải tiến quy trình cũng như sản phẩm cho các nhà cung cấp trong nhiều trường hợp.
Trong ngành công nghiệp ô tô:
HÌNH 1.8:CHIẾC XE Ô TÔ URBEE ĐÃ ĐƯỢC SẢN XUẤT TOÀN BỘ BẰNG CÔNG
Urbee được sản xuất bằng công nghệ in 3D đặc biệt, cho phép tạo ra từng lớp thân xe và các chi tiết máy một cách dễ dàng Quá trình "sản xuất kỹ thuật số" này thu hút sự chú ý lớn nhờ sự khác biệt so với phương pháp truyền thống.
“chỉ là đặt những chất liệu vào vị trí cần thiết”.
Trong ngành công nghiệp điện tử:
Công nghiệp điện tử là một trong những lĩnh vực tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ in 3D Máy in 3D đã cho phép chế tạo các bộ phận phức tạp từ nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo ra một xu hướng mới trong ngành Việc áp dụng công nghệ này giúp in ấn các chi tiết phức tạp một cách nhanh chóng và chính xác hơn bao giờ hết.
HÌNH 1.9: MÁY IN 3D CÓ THỂ IN MẠCH ĐIỆN TỬ
Trong lĩnh vực năng lượng:
Hãng Siemens đã thành công trong việc chế tạo và thử nghiệm cánh quạt động cơ turbine khí bằng công nghệ in 3D, mở ra cơ hội cho các nhà sản xuất điện và thiết bị nặng áp dụng công nghệ này không chỉ để tạo ra mô hình hay nguyên mẫu, mà còn để sản xuất các chi tiết thực tế cho sản phẩm của họ.
HÌNH 1.10: SIEMENS ĐÃ THỬ NGHIỆM CÁNH QUẠT TUA BIN KHÍ LẦN ĐẦU TIÊN ĐƯỢC THỰC HIỆN HOÀN TOÀN BẰNG MỘT QUY TRÌNH IN 3D
Ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng:
Công nghệ in 3D đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng, đặc biệt trong việc sản xuất các bộ phận phức tạp cho máy bay, tàu vũ trụ và chế tạo súng Việc sử dụng in 3D không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao chất lượng và độ chính xác của các linh kiện.
HÌNH 1.11:HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ VÀ QUỐC PHÒNG CŨNG ĐÃ ÁP DỤNG
Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) áp dụng công nghệ in 3D để sản xuất các bộ phận đặc biệt cho tàu vũ trụ, bao gồm cả việc thực hiện in ấn ngay trong không gian.
HÌNH 1.12: NASA ĐÃ DÙNG MÁY IN 3D SẢN XUẤT ÁO GIÁP "CHAIN MAIL"
NASA đã sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất áo giáp "Chain mail" nhằm bảo vệ phi hành gia và tàu vũ trụ Áo giáp "Chain mail" từng là một phần thiết yếu trong trang bị của các chiến binh thời trung cổ, và hiện nay, các kỹ sư của NASA hy vọng sẽ ứng dụng loại áo giáp này trong các nhiệm vụ ngoài không gian.
HÌNH 1.13: KHẨU SÚNG BẮN ĐẠN THẬT ĐƯỢC SẢN XUẤT BẰNG CÔNG NGHỆ
Khẩu súng bắn đạn thật đầu tiên được sản xuất bằng công nghệ in 3D ra đời năm
Năm 2013, Cody Wilson, một sinh viên người Mỹ, đã phát triển khẩu súng 3D mang tên Liberator, được chế tạo từ 16 linh kiện, trong đó 15 chi tiết làm bằng nhựa ABS và chỉ có kim hỏa bằng kim loại Thiết kế súng 3D của Wilson đã thu hút hàng trăm nghìn lượt tải, trở nên rất phổ biến và thậm chí vượt ra ngoài sự kiểm soát của Chính phủ Hoa Kỳ.
Kiến trúc và xây dựng
Ngành xây dựng đang áp dụng công nghệ in 3D với các máy in khổng lồ sử dụng vật liệu nhựa và bê tông, mang lại nhiều lợi ích như cải thiện chất lượng, tăng tốc độ thi công và giảm chi phí, đặc biệt là chi phí lao động Phương pháp này cũng nâng cao tính linh hoạt, đảm bảo an toàn trong xây dựng và giảm thiểu tác động đến môi trường Ngoài ra, ý tưởng xây dựng trên Mặt trăng bằng công nghệ in 3D đã được nghiên cứu tại nhiều trung tâm trên thế giới, cho phép sáng tạo và điều chỉnh thiết kế kiến trúc theo yêu cầu của khách hàng một cách dễ dàng.
HÌNH 1.14: NGÔI NHÀ ĐƯỢC “IN” BẰNG CÔNG NGHỆ IN 3D Ở TRUNG QUỐC
HÌNH 1.15:CĂN BIỆT THỰ ĐƯỢC “IN” BẰNG CÔNG NGHỆ IN 3D CỦA CÔNG TY
Giáo dục
Công nghệ 3D đang có những ứng dụng thiết thực trong giáo dục, đặc biệt trong các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học Sinh viên có thể thiết kế và sản xuất sản phẩm ngay trong lớp học, đồng thời thử nghiệm ý tưởng thông qua việc sử dụng máy in 3D Phương pháp này không chỉ nâng cao hứng thú học tập mà còn khuyến khích làm việc nhóm, tương tác trong lớp học, và phát triển khả năng sáng tạo, kỹ năng máy tính cũng như tư duy ba chiều của sinh viên.
In 3D trong môn Toán giúp học sinh hình dung rõ ràng hơn thông qua việc in ấn các biểu đồ và mô hình toán học Việc hiện thực hóa các phương trình, đồ thị và mô hình này trở nên hữu hình, từ đó hỗ trợ quá trình học tập hiệu quả hơn.
Học địa lý và địa chất trở nên hiệu quả hơn với công nghệ in 3D, cho phép học sinh hiểu rõ cấu tạo địa chất qua mô hình thực tế thay vì chỉ hình ảnh 2D trong sách Nhiều bản in 3D về địa chất đã được phát triển nhằm hỗ trợ việc học tập môn học này.
Công nghệ in 3D đang mang lại nhiều lợi ích cho môn Lịch sử, đặc biệt là trong việc tạo ra các bản sao hoàn hảo của hiện vật cổ Các viện bảo tàng trên toàn thế giới ngày càng nhận thức được giá trị của máy in 3D, cho phép du khách có cơ hội chạm tay vào các hiện vật lịch sử Với sự phát triển của công nghệ in và quét 3D, những bản sao này đạt độ chính xác cao, phản ánh chi tiết tinh vi của các hiện vật gốc.
Trong gia đình
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BỒI ĐẮP ( ADDITIVE
Công nghệ 3D, hay còn gọi là sản xuất đắp dần (Additive Manufacturing), là một phương pháp tạo ra các đối tượng bằng cách xây dựng từng lớp Phương pháp này khác biệt so với các kỹ thuật truyền thống như đúc hoặc cắt gọt, mang lại nhiều ưu điểm trong quy trình sản xuất.
- Additive manufacturing là phương pháp mở rộng hơn của in 3D.
Additive manufacturing là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều.
Các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể
Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu điện tử khác.
Công nghệ sản xuất đắp dần, hay còn gọi là in 3D, là quá trình tạo ra một đối tượng vật lý bằng cách in từng lớp từ một mô hình 3D có sẵn Khác với phương pháp chế tạo cắt gọt, nơi vật liệu thừa được loại bỏ từ phôi ban đầu, công nghệ in 3D bắt đầu với vật liệu rời và xây dựng sản phẩm theo mẫu kỹ thuật số.
1.2 Các phương pháp được sử dụng trong công nghệ in 3D
1.2.1 Nguyên lý chung của phương pháp in 3D
Bước đầu tiên trong quy trình in 3D là tạo ra một bản thiết kế mô hình 3D trên phần mềm CAD Mô hình này có thể được thiết kế trực tiếp trên phần mềm hoặc nhập vào thông qua thiết bị quét laser.
Sau khi hoàn thành bản thiết kế, bước tiếp theo là tạo tài liệu STL (Standard Tessellation Language), một định dạng phổ biến trong công nghệ sản xuất đắp dần Quá trình tesselate theo ngôn ngữ Tessellation chuẩn giúp chia nhỏ một vật thể thành các đa giác, mô phỏng cấu trúc bên ngoài và bên trong của nó.
Khi tài liệu hoàn thiện, hệ thống sẽ chia nhỏ thiết kế thành nhiều lớp và chuyển thông tin đến thiết bị sản xuất đắp dần Hệ thống này sẽ tự động chế tạo vật thể theo từng lớp cho đến khi hoàn thiện sản phẩm.
Các hệ thống máy in 3D sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để sản xuất các vật thể, và việc lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc vào loại vật liệu Nguyên liệu cho in 3D có thể là vật liệu rắn như nhựa, kim loại, polymer; vật liệu lỏng như nhựa lỏng đông cứng dưới tác động của laser hoặc ánh sáng điện tử; hoặc vật liệu dạng bột như bột kim loại và bột gốm, được kết dính để tạo thành sản phẩm.
Sau khi hoàn tất quá trình sản xuất, bước tiếp theo là hoàn thiện sản phẩm bằng cách loại bỏ bụi bẩn và các chất liệu không mong muốn Đôi khi, cần thực hiện thêm quy trình thêu kết để lấp đầy các lỗ hổng trên sản phẩm Ngoài ra, việc sử dụng các quy trình thẩm thấu cũng giúp phủ kín sản phẩm bằng những vật liệu khác, đảm bảo chất lượng và tính thẩm mỹ.
The primary 3D printing technologies currently in use include Selective Laser Sintering (SLS), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithography, and Inkjet Bioprinting.
Mỗi công nghệ in 3D đều có những ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với từng mục đích sử dụng cụ thể Trong khi một số công nghệ chỉ cho phép sử dụng một loại vật liệu duy nhất, thì những công nghệ khác lại mang tính linh hoạt, cho phép làm việc với nhiều loại và dạng vật liệu khác nhau.
1.2.2 Công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS)
HÌNH 1.1: MÔ HÌNH CÔNG NGHỆ SLS
Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) tận dụng tính chất của vật liệu bột có khả năng hóa rắn khi chịu tác động của nhiệt, bao gồm nylon, elastomer và kim loại Quá trình này bắt đầu bằng việc trải một lớp mỏng bột nguyên liệu lên bề mặt của xy lanh công tác thông qua một trống định mức.
Quá trình laser hóa rắn (kết tinh) bột trong đường biên mặt cắt không làm chảy chất bột, mà chỉ giúp chúng dính chặt ở các bề mặt tiếp xúc Trong một số trường hợp, hạt bột vật liệu có thể được nung chảy hoàn toàn Quá trình kết tinh này có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hóa trong phương pháp tạo hình lập thể SLA.
Xy lanh hạ xuống theo độ dày của lớp kế tiếp, sau đó bột nguyên liệu được đưa vào Quá trình này lặp lại liên tục cho đến khi chi tiết hoàn thành.
Trong quá trình chế tạo, các phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được loại bỏ sau khi hoàn thành chi tiết, và chúng được coi là bộ phận phụ trợ cho lớp mới được xây dựng Phương pháp này có thể giúp giảm thời gian chế tạo chi tiết hiệu quả.
HÌNH 1.2: MỘT SỐ DẠNG SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ SLS
- Vật liệu được sử dụng trong công nghệ SLS
Phương pháp SLS có khả năng áp dụng cho nhiều loại vật liệu như Policabonate, PVC, ABS, nylon và sáp Các chi tiết được sản xuất bằng công nghệ SLS thường có bề mặt nhám và xuất hiện các lỗ hổng nhỏ, do đó cần thực hiện quy trình xử lý tinh sau khi chế tạo để nâng cao chất lượng sản phẩm.
Những ưu và nhược điểm của công nghệ SLS
Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm.
Tạo ra các mẫu đa dạng với nhiều màu sắc, cho phép thiết kế các hình dạng phức tạp mà không cần đến vật liệu hay cấu trúc hỗ trợ.
SLS đã được sử dụng chủ yếu để tạo nguyên mẫu, nhưng gần đây đã được ứng dụng cho sản xuất theo từng yêu cầu cụ thể.
Phần mềm Simplify 3D cho máy in 3D
Tổng quan về phần mềm Simplify 3D
Simplify3D là phần mềm cắt lớp hàng đầu cho máy in 3D, nổi bật với nhiều tính năng hữu ích giúp tạo ra bản Gcode tối ưu Bản Gcode là tệp chứa tập hợp các mã Gcode, đóng vai trò như các lệnh mà máy in 3D sử dụng để thực hiện quá trình in.
Hướng dẫn sử dụng phần mềm Simplify 3D
HÌNH 3.2: GIAO DIỆN NGOÀI CÙNG CỦA SIMPLIFY3D
- Giao diện của Simplify3D (Hình 3.2) gồm 5 phần chính:
The Process Section: Phần này chứa các quá trình (Process) để thực hiện việc cắt lớp
The Toolbar: Phần này chứa các công cụ để lựa chọn, quan sát và làm việc với Simplify3D.
The Viewport: Cho phép quan sát vật thể 3D
The Menu: Cho phép truy cập mọi chức năng trong Simplify3D
- Để thực hiện việc cắt lớp in 3D, cần phải có tối thiểu 1 vật thể nằm trong khung in và 1 Process.
HÌNH 3.3 GIAO DIỆN KHUNG PROCESS
- Hình 3.3 thể hiện giao diện khung Process, trong đó:
Process name: Tên của process đang chọn.
Select Profile: Lựa chọn Profile, mỗi Profile là setting riêng dành cho từng máy in.
HÌNH 3.4 HÌNH THỰC TẾ CỦA CÁC CHỈ SỐ INFILL KHÁC NHAU (ĐÃ BỎ LỚP MẶT
Tỉ lệ Infill (Hình 3.4) là tỷ lệ phần trăm giữa lượng nhựa sử dụng và tổng thể tích bên trong của vật in Tỉ lệ này càng cao, lượng nhựa tiêu tốn càng nhiều và thời gian in sẽ kéo dài hơn, nhưng độ cứng của sản phẩm cũng sẽ tăng lên.
- Hình 3.5 thể hiện giao diện tab Extruder trong khung Process, trong đó:
Nozzle Size: Kích thước kim phun.
Extruder Multiplier là thông số quan trọng trong in 3D, quyết định tỉ lệ đùn của vật liệu Tỉ lệ này sẽ điều chỉnh số step/mm của động cơ đùn, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình in Để tính toán thông số mới, bạn chỉ cần nhân tỉ lệ đùn với số step/mm có trong firmware.
Extruder Width: Kích thước nhựa đùn ra
Retraction Distance: Khoảng cách rút nhựa.
Quá trình rút nhựa là bước quan trọng trong in 3D, diễn ra khi đầu đùn di chuyển ra khỏi vị trí in Việc rút nhựa một đoạn giúp ngăn chặn tình trạng đầu đùn bị ép, từ đó giảm thiểu nguy cơ nhựa bị dò trong quá trình di chuyển.
- Hình 3.6 thể hiện tác dụng của việc sử dụng Retraction, bên trái là không sử dụngRetraction, bên phải là sử dụng retraction đúng khoảng cách và tốc độ.
HÌNH 3.6 TÁC DỤNG CỦA VIỆC SỬ DỤNG RETRACTION ĐÚNG THÔNG SỐ
Khoảng cách khởi động thêm: Đây là hiện tượng xảy ra sau khi nhựa được rút ra và đùn lại Khi đầu đùn di chuyển đến vị trí mới, nhựa cần được đẩy trở lại vị trí cũ Tuy nhiên, do quá trình chế tạo cơ khí không đạt tiêu chuẩn, có thể dẫn đến việc nhựa không được đẩy đủ, gây ra tình trạng thiếu nhựa ở những điểm khởi đầu của vật in.
Retraction Vertical Lift là một kỹ thuật trong in 3D, trong đó đầu đùn sẽ nâng lên một đoạn ngắn tại mỗi điểm rút nhựa trước khi di chuyển đến vị trí mới Điều này giúp tránh va chạm giữa đầu đùn và vật in trong quá trình di chuyển, đảm bảo chất lượng sản phẩm in 3D.
Retraction Speed: Tốc độ rút nhựa.
- Hình 3.7 thể hiện giao diện tab Layer trong khung Process, trong đó:
Primary Layer Height: Độ dày 1 lớp in.
Top (Bottom) Solid Layers: Số lớp in đặc (Infill 100%) ở bề mặt trên (dưới).
Outline/Perimeter Shells: Số lớp của vỏ.
First Layer Height: Độ cao lớp in đầu tiên.
First Layer Speed: Tốc độ lớp in đầu tiên.
- Hình 3.8 thể hiện giao diện tab Additions trong khung Process, trong đó:
Skirt/Brim: Là những đường in vòng ngoài vật để chuẩn bị nhựa hoặc để vật bám bàn in tốt hơn.
The distance of the skirt or brim from the printed object is crucial in 3D printing When this distance is zero, it is referred to as a brim; however, if the distance is greater than zero, it is classified as a skirt Understanding this distinction is essential for optimizing print quality and adhesion.
• Skirt Outlines: Số lượng vòng in
Raft là một lớp vật liệu được in bên dưới vật in chính, giúp đảm bảo bề mặt in luôn cân bằng và tăng cường độ bám cho sản phẩm in.
• Raft Top Layer: Số lớp in đặc ở mặt trên cùng Raft.
• Raft Base Layer: Số lớp in nền bên dưới lớp trên cùng.
• Raft offset From Part: Khoảng cách lớp Raft nằm thừa bên ngoài vật in.
Khoảng cách tách biệt là khoảng cách từ bề mặt lớp trên cùng của Raft đến bề mặt đáy của vật in Nếu khoảng cách này lớn, Raft sẽ dễ dàng bóc ra, nhưng điều này có thể làm giảm chất lượng của lớp dưới cùng của vật in.
• Raft Top Infill: Độ đặc lớp trên cùng của Raft.
• Above Raft Speed: Tốc độ lớp in đầu tiên của vật ngay bên trên lớp Raft.
HÌNH 3.9 SKIRT, BRIM VÀ RAFT
Hình 3.9 theo thứ tự từ trái qua: Skirt -Brim-Raft
Prime Pillar và Ooze Shield dành cho máy in nhiều màu/ nhiều vật liệu
- Hình 3.10 thể hiện giao diện tab Layer trong khung Process, trong đó:
Interior Fill Percentage: Tỉ lệ Infill.
Outline Overlap: Tỉ lệ lớp Infill in đè lên lớp vỏ, đảm bảo độ bền của vật in.
Combine Infill Every (a) Layer: In một lớp đặc (Infill 100%) sau khi in a lớp rỗng
- Hình 3.11 thể hiện giao diện tab Support trong khung Process, trong đó:
Support Infill Percentage: Độ đặc của lớp in support.
Extra Inflation Distance: Khoảng cách lớp support nằm bên ngoài vật in.
Support Base Layers: Số lớp in đặc của support dưới cùng đảm bảo support ko bị bong trong quá trình in.
Combine Support Every: Tạo một lớp in đặc sau vài lớp in rỗng đảm bảo độ cứng của support.
Các lớp hỗ trợ dày đặc: Lớp in đặc ngay bề mặt tiếp xúc với vật in giúp tạo ra bề mặt hoàn thiện đẹp nhất cho sản phẩm Tuy nhiên, nếu lớp in này quá sát với vật in, việc gỡ bỏ sẽ trở nên khó khăn.
Dense Infill Percentage: Tỉ lệ Infill của lớp in đặc này.
• Normal: Tạo Support ở tất cả những nơi có Overhang lớn hơn giá trị đặt.
• From Build Flatform Only: Tạo Support ở tất cả những nơi có Overhang lớn hơn giá trị đặt và chân support nằm trên bàn in.
Support Pillar Resolution: Kích thước của cột support.
Max Overhang Angle: Góc nghiêng của tiếp tuyến với vật thể tại điểm in so với phương thẳng đúng.
Horizontal Offset from Part: Khoảng cách của support với vật theo phương nằm ngang.
Upper (Lower) Vertical Separation Layers: Khoảng cách của support với vật theo mặt trên (dưới) của support.
- Hình 3.12 thể hiện giao diện tab Temperature trong khung Process, trong đó:
Temperature Controller List: Danh sách liệt kê các thiết bị cần gia nhiệt (Hạ nhiệt) o Overview: Lựa chọn tính chất của từng thiết bị.
Per-Layer Temperature Setpoints: Danh sách giá trị nhiệt độ của từng thiết bị theo từng lớp.
- Hình 3.13 thể hiện giao diện tab Cooling trong khung Process, trong đó:
Fan Options: Thông số này cài đặt cho tốc độ của quạt lớp in (Layer Fan)
Per-Layer Fan Controls: Danh sách giá trị tốc độ quạt theo các lớp của vật in.
- Hình 3.14 thể hiện giao diện tab G-Code trong khung Process, trong đó:
Global GCode Offsets: Khoảng cách lệch so với firmware gốc, nếu 3 giá trị này bằng 0 thì tọa độ trên slicer sẽ trùng với tọa độ trên Firmware.
Update Machine Definition: Cài đặt các thông số của Viewport trên Slicer cho trùng với cấu tạo của máy in
- Hình 3.15 thể hiện giao diện tab Scrips trong khung Process, trong đó:
Gồm những đoạn mà Gcode được thêm vào trong quá trình slice.
Starting Script: Mã GCode khởi đầu quá trình in.
Layer Change Script: Mã GCode được thêm vào mỗi khi có sự chuyển lớp.
Retraction Script: Mã GCode được thêm vào mỗi khi rút nhựa.
Tool Change Script: Mã GCode được thêm vào mỗi khi thay đầu đùn (chỉ có khi với máy có nhiều hơn 1 Tool Head).
Ending Script: Mã GCode ở cuối quá trình in sau khi toàn bộ quá trình in đã hoàn thành.
Hình 3.16 thể hiện giao diện tab Speeds trong khung Process, trong đó:
• Default Sprinting Speed: Tốc độ in mặc định
• Outline Underspeed: Tốc độ in lớp vỏ ngoài cùng
• Solid Infill Underspeed: Tốc độ in lớp đặc ở bề mặt bên trên và dưới
• Support Structure Underspeed: Tốc độ in support.
• X/Y Axis Movement Speed: Tốc độ di chuyển theo X, Y.
• Z Axis Movement Speed: Tốc độ di chuyển theo Z.
• Adjust printing speed for layers below: Thay đổi tốc độ khi thời gian in của lớp đó đạt giá trị đặc
• Allow speed reductions down to: Tốc độ in sẽ được thay đổi theo thông số ghi ở đây
