GIỚI THIỆU Cơng nghệ in chiều (in 3D), cịn biết đến với tên gọi “Công nghệ sản xuất đắp dần” (Additive Manufacturing), trở thành xu hướng công nghệ quan trọng giới công nghệ chủ chốt Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (bên cạnh công nghệ: Internet vạn vật – IoT, liệu lớn, rô-bốt, sinh học tổng hợp…) Theo chuyên gia, “chìa khố” cơng nghệ cho tương lai mà doanh nghiệp nào, ngành công nghiệp sản xuất quốc gia phải ý Công nghệ in 3D ngày phát triển, không giúp cho việc chế tạo khuôn mẫu xác dễ dàng mà cịn tìm nhiều ứng dụng thực tế sống Công nghệ in 3D ứng dụng nhiều ngày cành phổ biến lĩnh vực sản xuất công nghiệp, xây dựng, y tế - chăm sóc sức khỏe, giáo dục Cựu Tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama nhận định: “Công nghệ in 3D cách mạng ngành công nghiệp sản xuất Hoa Kỳ" Kiến thức công nghệ in 3D rộng phức tạp Với việc biên soạn tổng luận “IN 3D: HIỆN TẠI VÀ TƯƠNG LAI”, hy vọng cung cấp cho bạn đọc thông tin in 3D, bao gồm: lịch sử hình thành, khái niệm, cơng nghệ in 3D chủ yếu, vai trị tầm quan trọng cơng nghệ in 3D, ứng dụng, tác động mặt kinh tế, xã hội khung pháp lý, rào cản thách thức công nghệ sản xuất đại Xin trân trọng giới thiệu CỤC THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA I KHUNG KHÁI NIỆM VỀ IN 3D 1.1 Định nghĩa khái niệm In 3D dạng công nghệ gọi sản xuất đắp dần/đắp lớp (Additive Manufacturing) Các trình đắp dần tạo đối tượng theo lớp, khác với kỹ thuật đúc cắt gọt (như gia công) Hiệp hội vật liệu thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing Materials - ASTM) đưa khái niệm rõ ràng công nghệ sản xuất đắp dần: “Công nghệ sản xuất đắp dần trình sử dụng ngun liệu để chế tạo nên mơ hình 3D, thường chồng lớp nguyên liệu lên nhau, trình trái ngược với trình cắt gọt thường dùng để chế tạo xưa nay” Có thể thấy phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với phương pháp cắt gọt - hay cịn gọi phương pháp gia cơng, mài giũa vật liệu nguyên khối - cách loại bỏ cắt gọt phần vật liệu, nhằm có sản phẩm cuối Còn với sản xuất đắp dần, ta coi cơng nghệ tạo đúc hay ép khuôn, từ nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối Có nhiều thuật ngữ khác dùng để công nghệ in 3D công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ chế tạo nhanh công nghệ chế tạo trực tiếp Như vậy, hầu hết thuật ngữ đời dựa chế hay tính chất công nghệ Về thuật ngữ, “in 3D” việc sử dụng “máy in phun” với “đầu mực” di chuyển để tạo sản phẩm hoàn thiện Trên thực tế cơng nghệ sản xuất đắp dần hoạt động tương tự vậy, cịn có trình, kĩ thuật tiến In 3D gốc thuật ngữ có ý nghĩa liên quan đến q trình vật liệu tích lũy môi trường bột với đầu máy in phun Hiện nay, ý nghĩa thuật ngữ mở rộng để bao gồm đa dạng kỹ thuật quy trình dựa phun thiêu kết Tạp chí The Engineer Anh định nghĩa: In 3D chuỗi công đoạn khác kết hợp để tạo vật thể ba chiều Trong in ấn 3D, lớp vật liệu đắp chồng lên định dạng kiểm sốt máy tính để tạo vật thể Các đối tượng có hình dạng bất kỳ, sản xuất từ mơ hình 3D nguồn liệu điện tử khác Máy in 3D loại robot công nghiệp 3D công nghệ in 3D định nghĩa hoàn toàn khác với 3D mang tính mơ TV 3D, phim 3D, âm 3D, hình 3D 3D sản phẩm thật, vật thể thật mà ta cầm tay, sờ mó, quan sát cách xác, 3D thứ xung quanh ta, mà từ nguyên thủy đến ta tiếp xúc ngày In 3D in nội dung lên lớp, lớp in chồng liên tiếp lên nhau, lớp lớp Mực in vật liệu muốn áp lên vật thể 3D, nhựa, giấy, bột, polymer, hay kim loại …, vật liệu có đặc điểm có kết dính với để vật liệu lớp bên kết dính với lớp bên Chúng ta hiểu nôm na in 3D in vật thể 3D sờ mó, quan sát, cầm nắm in hình ảnh mà ta nhìn vào khối 3D gần giống đời Như vậy, tựu chung hiểu Cơng nghệ in 3D hay gọi công nghệ sản xuất đắp dần, bao gồm việc tạo đối tượng vật lý cách in theo lớp từ vẽ hay mơ hình 3D có trước Cơng nghệ khác hồn toàn so với chế tạo cắt gọt - lấy vật liệu thừa từ phôi ban đầu thu hình dạng mong muốn Ngược lại, cơng nghệ in 3D bắt đầu với vật liệu rời sau tạo sản phẩm dạng 3D từ mẫu kỹ thuật số Một loạt công nghệ in 3D sử dụng ngày nay, loại có ưu điểm hạn chế riêng Các cơng nghệ bao gồm: “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS), “Thiêu kết laser chọn lọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS), “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM), “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography SLA) “In phun sinh học” (Inkjet bioprinting) Trong trường hợp, đối tượng tạo thành từ lớp thời điểm lớp cuối đối tượng hồn thành Với số cơng nghệ thực cách nóng chảy vật liệu lắng đọng lớp, cơng nghệ khác kiên cố hóa vật liệu lớp cách sử dụng laser Trong trường hợp in phun sinh học, kết hợp vật liệu khung đỡ tế bào sống phun Ngày nay, in 3D tạo đồ vật từ nhiều loại vật liệu, bao gồm nhựa, kim loại, gốm sứ, thủy tinh, giấy, chí tế bào sống Các vật liệu dạng bột, dây tóc, chất lỏng Với số kỹ thuật, vật đơn giản in nhiều vật liệu màu sắc, tác vụ in đơn lẻ chí tạo phận chuyển động kết nối (như lề, liên kết chuỗi lưới) Lịch sử công nghệ in 3D Công nghệ in 3D đời 30 năm Thiết bị vật liệu sản xuất đắp dần phát triển năm 1980 Năm 1981, Hideo Kodama Viện Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) sáng tạo phương pháp tạo mơ hình nhựa ba chiều với hình ảnh cứng polymer, nơi diện tích tiếp xúc với tia cực tím kiểm sốt mơ hình lớp hay phát quang quét Sau đó, vào năm 1984, nhà sáng chế người Mỹ Charles Hull Công ty Hệ thống 3D (3Dsystems) phát triển hệ thống nguyên mẫu dựa trình gọi Stereolithography, lớp bổ sung cách chữa giấy nến với ánh sáng cực tím laser Hull định nghĩa trình "hệ thống để tạo đối tượng 3D cách tạo mô hình mặt cắt đối tượng hình thành," điều phát minh Kodama Đóng góp Hull việc thiết kế định dạng tập tin STL (STereoLithography) ứng dụng rộng rãi phần mềm in 3D Năm 1986, Charles Hull sáng tạo quy trình Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng làm cứng lại nhờ laser Sau ơng đăng ký quyền cho cơng nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS) có sử dụng file định dạng STL (Standard Tessellation Language) Hull thành lập công ty 3Dsystems đến cơng ty cung cấp công nghệ lớn lĩnh vực in 3D Nếu lập biểu thời gian thấy công nghệ phát triển theo biểu đồ logarit Từ 1986 đến 2007, 20 năm đầu tiên, cơng nghệ có bước nhỏ, chậm, gọi giai đoạn xâm nhập, bước cho công nghệ tạo mẫu nhanh Tuy nhiên, đến năm 2009, có biến động lớn thị trường, nhiều sáng chế công nghệ hết hạn bảo hộ quyền, có sở hữu cơng nghệ “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (FDM) Quy trình FDM tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu xếp đặt chồng lớp, vốn sở hữu hãng Stratasys, đối thủ cạnh tranh hàng đầu lĩnh vực in 3D Khi sáng chế FDM hết giá trị, công nghệ thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia Giá thành sản xuất giảm FDM trở thành chìa khóa cơng nghệ máy sản xuất đắp dần tiêu thụ thị trường Những mốc quan trọng lịch sử công nghệ in 3D: Năm 1984: Quy trình sản xuất đắp dần phát triển Charles Hull Năm 1986: Charles Hull đăng ký quyền máy tạo vật thể 3D công nghệ SLS từ file định dạng STL Charles Hull đặt tên cho cơng nghệ Stereolithography, thành lập công ty 3D System phát triển máy in 3D thương mại gọi Stereolithography Apparatus (SLA) Năm 1987: 3DSystem phát triển dòng sản phẩm SLA-250, phiên máy in 3D giới thiệu công chúng Năm 1988: Hãng Stratasys Công ty 3Dsystems lần đầu công bố máy sản xuất đắp dần Năm 1989: Ra đời công nghệ SLS (Selective Laser Sintering), công nghệ in 3D sử dụng lăn để dát mỏng nguyên liệu thành lớp, sau xếp chồng dính chặt lớp lại với cách chiếu tia laser vào Năm 1990: Cơng ty Stratasys thương mại hóa Cơng nghệ “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM) phát triển S Scott Crump vào cuối năm 1980 Stratasys bán máy FDM đầu tiên: “3D Modeler” năm 1992 Năm 1991: Ra đời công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing), công nghệ in 3D sử dụng vật liệu dễ dàng dát mỏng giấy, gỗ, nhựa… Năm 1993: Công ty Solidscape thành lập để chế tạo dịng máy in 3D dựa cơng nghệ in phun , máy tạo sản phẩm nhỏ với chất lượng bề mặt cao Cũng năm này, Viện Công nghệ Massachusetts Institute of Technology (MIT) đăng ký bảo hộ công nghệ “3 Dimensional Printing techniques (3DP)” Năm 1995: Công ty Z Corporation mua lại giấy phép độc quyền từ MIT để sử dụng công nghệ 3DP bắt đầu sản xuất máy in 3D Năm 1996: Stratasys giới thiệu dòng máy in 3D ”Genisys” Cùng năm này, Z Corporation giới thiệu dòng “Z402″ 3D Systems giới thiệu dòng máy “Actua 2100″ Tới lúc cụm từ “Máy in 3D ” sử dụng lần để máy tạo mẫu nhanh Năm 2005: Z Corporation giới thiệu dòng máy Spectrum Z510 Đây dòng máy in 3D tạo sản phẩm có nhiều màu sắc chất lượng cao Năm 2006: Dự án máy in 3D mã nguồn mở khởi động – Reprap – mục đích tạo máy in 3D chép thân Người ta điều chỉnh hay sửa đổi tùy ý, phải tuân theo điều luật GNU (General Public Licence) Năm 2008: Phiên Reprap phát hành Nó sản xuất 50 % phận Năm 2008: Objet Geometries Ltd tạo cách mạng ngành tạo mẫu nhanh giới thiệu Connex500™ Đây máy giới tạo sản phẩm 3d với nhiều loại vật liệu khác thời điểm Năm 2009: Bản quyền công nghệ “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (FDM) hết hạn bảo hộ máy in 3D mã nguồn mở đời Năm 2010: Urbee - xe nguyên mẫu giới thiệu Đây xe giới mà toàn phần vỏ in từ máy in 3D Tất phận bên ngoài, kể kính chắn gió tạo từ máy in 3D Fortus khổ lớn Stratasys Năm 2010: Organovo Inc công ty y học tái tạo nghiên cứu lĩnh vực in 3D sinh học công bố việc chế tạo hoàn chỉnh mạch máu hồn tồn cơng nghệ in 3D Năm 2012: Thương mại hóa máy in 3D cá nhân Năm 2014: Các sáng chế cho công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (selective laser sintering - SLS), bắt đầu hết hạn bảo hộ, tạo hội cho sáng chế phát triển ngành sản xuất đắp dần, mở đường cho thời kỳ phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp tương lai gần Ưu điểm hạn chế in 3D In 3D có nhiều ưu điểm so với phương pháp thơng thường Với in ấn 3D, ý tưởng chuyển trực tiếp từ tệp tin máy tính nhà thiết kế tới phận hồn chỉnh sản phẩm, bỏ qua nhiều bước sản xuất truyền thống (bao gồm mua sắm phận, tạo phận cách sử dụng khuôn mẫu, gia công để khắc phận từ khối vật liệu, hàn phần kim loại với lắp ráp) In 3D làm giảm lượng vật liệu bị lãng phí sản xuất tạo vật thể khó hoặcvật thể khơng thể sản xuất với kỹ thuật truyền thống, bao gồm vật có cấu trúc bên phức tạp làm tăng sức mạnh, giảm trọng lượng, tăng chức Ví dụ, sản xuất kim loại, in 3D tạo vật thể có cấu trúc tổ ong bên trong, in sinh học (bioprinting) tạo quan thể với mạng nội mạch máu Ưu điểm công nghệ in 3D cịn chỗ tạo mẫu nhanh Cơng nghệ có vượt trội thời gian chế tạo sản phẩm hoàn thiện “Nhanh” giới hạn tương đối Thông thường, để tạo sản phẩm khoảng từ – 72 giờ, phụ thuộc vào kích thước độ phức tạp sản phẩm Có thể khoảng thời gian chậm, so với thời gian mà công nghệ chế tạo truyền thống thường từ nhiều tuần đến nhiều tháng để tạo sản phẩm nhanh nhiều Chính cần thời gian để tạo sản phẩm nên công ty sản xuất tiết kiệm chi phí, nhanh chóng đưa thị trường sản phẩm Ưu điểm công nghệ in 3D chế tạo đối tượng với đầy đủ phận bên lẫn bên cách chi tiết lần thực mà phương pháp truyền thống chế tạo Ngày nay, công nghệ in 3D phát triển đa dạng, với sản phẩm 3D in với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạng bột bụi Với loại vật liệu có nhiều phương thức để in sử dụng tia laser, dụng cụ cắt, đùn ép nhựa … Cách thức in có in từ lên, in từ đỉnh xuống Gọi tạo mẫu nhanh so với phương pháp gia công chế tạo vật thể 3D (mẫu) khác cắt, gọt, tiện, phay, bào, nặn … Thì phương pháp cho phép tạo mẫu nhanh Cơng nghệ in 3D có ưu điểm mà chuyên gia tin sớm trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ thời gian tới xu hướng tương lai Chúng ta thấy tương lai gần công nghệ in 3D phát triển đến mức in tàu vũ trụ với tốc độ in nhanh Tất chi tiết từ bên bên in xong với đầy đủ chất liệu đồng đen, bạch kim, vàng, sắt, thép, nhựa, thủy tinh…đều in lần in Công nghệ tạo tàu vũ trụ với giá rẻ chưa có khơng có sai sót Đó tương lai, cịn cơng nghệ làm điều chất liệu đơn giản bê tơng, nhựa, sắt thép … Hiện nay, với loại chất liệu, cơng nghệ in 3D in vật mẫu có hình dạng cụ thể Đã có tim, gan, phổi … người sản xuất công nghệ in 3D với độ xác hồn hảo tuyệt đối Tóm lại, cơng nghệ in 3D có ưu điểm chính: Tốc độ hình thành sản phẩm nhanh so với công nghệ khác; Chi phi đầu tư sở hữu thấp lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh; Chi phí nguyên vật liệu chi phí sản xuất thấp; Đa dạng vật liệu chế tạo ứng dụng; Có thể in vật có cấu tạo hình học phức tạp mà không cần giá đỡ; Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng bảo dưỡng; Là công nghệ tạo mẫu có đầy đủ màu sắc lên đến hàng triệu màu; Cho phép chế tạo sản phẩm đa dạng từ vật liệu khác nhau, màu sắc khác nhau, khối lượng kích thước với tỷ lệ khác so với chi tiết sản phẩm thật Về hạn chế in 3D, khác tùy theo kỹ thuật in, bao gồm tốc độ in chưa thực tương xứng với tiềm năng, kích thước đối tượng in hạn chế, chi tiết độ phân giải đối tượng giới hạn, chi phí vật liệu cịn cao, số trường hợp, độ bền sản phẩm in hạn chế Tuy nhiên, năm gần có tiến nhanh chóng việc giảm hạn chế 1.2 Các công nghệ in 3D 1.2.1 Nguyên lý chung công nghệ in 3D Để bắt đầu in 3D, người ta cần thiết kế vật thể 3D phần mềm CAD, phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế máy tính Mơ hình vật thể thiết kế trực tiếp phần mềm đưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser Sau thiết kế hoàn thành, ta cần tạo tài liệu STL - Standard Tessellation Language, dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất đắp dần Làm tesselate theo ngôn ngữ Tesselation chuẩn chia vật thể thành đa giác nhỏ hơn, để mơ cho cấu trúc bên ngồi bên vật thể Đây phần quan trọng sản xuất đắp dần Khi tài liệu hoàn thiện, hệ thống chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác chuyển thông tin đến thiết bị sản xuất đắp dần Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần tự chế tạo vật thể theo lớp vật thể cần sản xuất hoàn thiện Để sản xuất vật thể, hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác Các công nghệ phân loại dựa vào chất vật liệu In 3D hay sản xuất đắp dần làm việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại nhờ tác động laser hay ánh sáng điện tử), hay vật liệu dạng bột (bột kim loại, bột gốm kết dính với tạo thành sản phẩm…) Sau q trình thường có thêm vài khâu hồn thiện sau sản xuất Có thể loại bỏ bụi bẩn chất liệu khác bám sản phẩm Ngoài ra, đơi cần thêm q trình thêu kết để phủ kín lỗ hổng sản phẩm Hoặc sử dụng vài trình thẩm thấu để phủ kín sản phẩm vật liệu khác Các công nghệ sử dụng sản xuất đắp dần mở nhiều cách kết hợp loại vật liệu, phương pháp nung chảy kết dính khác Mỗi cơng nghệ có ưu - nhược điểm hiệu định theo mục đích cụ thể Trong số công nghệ in 3D sử dụng loại vật liệu riêng biệt, số cơng nghệ khác lại linh hoạt, làm việc với nhiều loại dạng vật liệu khác Gần đây, máy in 3D có khả sử dụng vật liệu kính, sơ-cơ-la tế bào người Một loạt công nghệ in 3D sử dụng ngày nay, loại có ưu điểm hạn chế riêng Các cơng nghệ bao gồm: “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS), “Thiêu kết lazer chọn lọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS), “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM), “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography) “In phun sinh học” (Inkjet bioprinting) 1.2.2 Công nghệ “Tạo hình nhờ tia laser” (stereolithography - SLA) Được phát triển Chuck Hull, công nghệ in 3D xuất công nghệ in 3D chi tiết chuẩn xác nhất, có sai số thấp công nghệ in 3D khác Hiện 3D Systems hãng nắm quyền thương mại công nghệ in 3D Công nghệ in 3D SLA công nghệ in 3D hoạt động theo nguyên tắc “đắp lớp” có đặc điểm khác biệt với công nghệ khác dùng tia UV làm cứng lớp vật liệu in (chủ yếu nhựa lỏng) Tương tự công nghệ SLS, máy in 3D sử dụng công nghệ SLA sử dụng chùm tia laser/UV nguồn lượng mạnh tương đương để làm “đông cứng” lớp vật liệu in 3D nhựa dạng lỏng, nhiều nhiều lớp tạo nên vật thể in 3D SLA Lớp in SLA đạt từ 0.06, 0.08, 0.1,… mm Công nghệ sử dụng để chế tạo vật phẩm 3D từ hình ảnh máy tính cơng nghệ cho phép người dùng kiểm tra mẫu thiết kế cách nhanh chóng, xác trước định đầu tư sản xuất hàng loạt Về nguyên lý hoạt động: Sau tập tin 3D CAD kết nối ngơn ngữ STL (Tessellation language) q trình in bắt đầu: Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau nhiều lớp đắp lên đạt số kỹ thuật vật thể định sẵn Các lớp in 3D SLA đạt từ 0.06mm, 0.08mm, 0.1mm tùy vào nhu cầu in Cơng nghệ in 3D SLA: Mơ hình cấu tạo SLA Ưu điểm: Cơng nghệ SLA có khả tạo mơ hình có độ chi tiết cao, sắc nét xác Về cơng nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, cơng nghệ tạo sản phẩm in 3D nhựa tốt nhất, sử dụng ngay, độ phân giải, độ mịn cao, nói cao Nhược điểm: Vật liệu in 3D đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền để lâu ánh sáng mặt trời SLA sử dụng rộng rãi cho việc tạo mẫu nhanh để tạo hình dạng phức tạp với chất kết thúc chất lượng cao, chẳng hạn đồ trang sức Công nghệ SLA sử dụng nhiều nhà máy sản xuất giày dép cho hãng lớn Nike, Adidas,…để thực công đoạn in 3D khuôn giày tạo mẫu đế giày nhanh Hình ảnh sản phẩm tạo từ công nghệ SLA 1.2.3 Công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS) Công nghệ sáng tạo Carl Deckard vào năm 1986 Trường đại học Texas cấp sáng chế năm 1989, đưa thị trường tập đoàn DTM (được thành lập 1987) Thiết bị thương mại hoá vào năm 1992 Đây công nghệ công nhận sau SLA Công nghệ này dựa trình chế tạo lớp chất polymer lỏng thay vật liệu bột Mơ hình Cơng nghệ SLS Công nghệ SLS vận hành tương tự SLA vật liệu dạng bột gốm sứ, thép, titan, nhôm, bạc, thủy tinh,… Tia laser giúp liên kết hạt bột với Đặc biệt, bột thừa sau quy trình tái chế nên tiết kiệm Có thể tạo lớp vật liệu phụ trợ keo chuyên dụng (có kèm màu sắc in 3D đa sắc màu), tia laser, tia UV,… Nhìn chung, SLS công nghệ tạo mẫu dựa vật liệu dạng bột Sử dụng tia laser, công nghệ SLS nung kết loại vật liệu dạng bột khác với để tạo mẫu dạng rắn Công nghệ in 3D SLS chìa khóa để máy in 3D tạo sản phẩm đa dạng, đặc biệt in 3D chất liệu kim loại/gốm Nguyên lý hoạt động Phương pháp SLS sử dụng tính chất vật liệu bột hóa rắn tác dụng nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại) Một lớp mỏng bột nguyên liệu trải bề mặt xy lanh công tác trống định mức Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm đường biên mặt cắt không thực làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt chỗ có bề mặt tiếp xúc Trong số trường hợp, q trình nung chảy hồn tồn hạt bột vật liệu áp dụng Q trình kết tinh điều khiển tương tự trình polymer hố phương pháp tạo hình lập thể SLA Sau xy lanh hạ xuống khoảng cách độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu đưa vào trình lặp lại chi tiết hồn thành Trong q trình chế tạo, phần vật liệu không nằm đường bao mặt cắt lấy sau hoàn thành chi tiết, xem phận phụ trợ lớp xây dựng Điều làm giảm thời gian chế tạo chi tiết dùng phương pháp Phương pháp SLS áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau: Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp,… Những chi tiết chế tạo phương pháp SLS tương đối nhám có lỗ hỗng nhỏ bề mặt nên cần phải xử lý sau chế tạo (xử lý tinh) Một số dạng sản phẩm công nghệ SLS Ưu điểm: Khả tạo mẫu loại vật liệu dạng bột khác nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm Tạo mẫu đa dạng màu sắc, tạo mẫu hình dạng phức tạp, khơng cần sử dụng vật liệu hỗ trợ, không cần cấu trúc hỗ trợ SLS sử dụng chủ yếu để tạo nguyên mẫu, gần ứng dụng cho sản xuất theo yêu cầu cụ thể Ví dụ, General Electric mua công ty công nghệ SLS để chế tạo phận cho động phản lực thương mại Cơng nghệ SLS thích hợp để in mơ hình có thành mỏng, chi tiết cần độ dẻo Đặc biệt, SLS lựa chọn tuyệt vời cần in mơ hình lớn có phần rỗng phía đáy Xét độ mịn bề mặt, công nghệ SLS cho chất lượng cao công nghệ FDM, nhiên khó để phân biệt độ mịn lớp in mắt thường Nhược điểm: Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao hao tổn vật liệu lớn Các mơ hình kín có phần rỗng bên phải tiêu tốn lượng vật liệu lớn 1.2.4 Cơng nghệ “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM) 10 Từ máy in 3D (FDM) lớp vật liệu nóng chảy đùn nguội nhanh khoảng 1/10(s) đông cứng lại Khi lớp phủ hồn thành mặt phẳng di chuyển sang lớp khác mỏng thông thường từ 0,178mm đến 0,356mm trình lặp lại tạo xong sản phẩm Về vật liệu tạo mẫu đa dạng: Trong cơng nghệ tạo mẫu nhanh FDM, đường kính đùn từ vịi phun nằm khoảng 0,25-1mm, hầu hết loại vật liệu nhiệt dẻo dáp ứng với việc thay đổi kích thước Ngồi ra, loại vật liệu sử dụng nhiều màu sắc khác để tạo chi tiết yêu cầu nhiều màu sắc Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM tạo tính tốt cho vật liệu tạo mẫu nguyên nhân dẫn đến phát triển nhanh chóng cơng nghệ này, đáp ứng tối đa u cầu đa dạng người sử dụng vật liệu Trong năm qua nhu cầu cho phận, mơ hình chức liên tục phát triển công nghệ FDM phù hợp với yêu cầu ngày Công nghệ FDM tạo sản phẩm phức tạp mà cơng nghệ tạo hình truyền thống khơng làm Những sản phẩm với kết cấu phức tạp, sản phẩm có khoảng rỗng bên với vỏ ngồi kín, sản phẩm mang tính chất từu tượng… 1.2.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (Laminated Object Manufacturing – LOM) Công nghệ LOM sáng tạo Michael Feygin vào năm 1985 tung thị trường năm 1986 công ty California Helisys (Hoa Kỳ) Đây kiểu in 3D sử dụng vật liệu dễ dàng dát mỏng giấy, gỗ, nhựa…Kiểu in cho màu sắc chuẩn xác với mẫu thiết kế Trong trình in LOM lớp giấy, nhựa kim loại cán mỏng dính bọc hợp cách sử dụng nhiệt áp lực, sau cắt thành hình với máy tính điều khiển tia laser dao cắt Sau thực trình in, bước cuối gia cơng khoan Các đối tượng 3D tạo lớp, lớp cắt tia laser dụng cụ cắt chuyên dụng (cắt theo đường biên dạng với tốc độ khoảng 15 inch/giây) sau dán chặt lớp, lớp vào với tạo sản phẩm Sau vật liệu dư thừa cắt bỏ, đối tượng đánh giấy ráp sơn Mặc dù độ chuẩn xác loại máy in 3D công nghệ thấp so với công nghệ SLA hay SLS, LOM công nghệ in ấn giá phải 3D nhanh để tạo phận tương đối lớn Nó cho phép tạo nhiều màu sắc 3D in đối tượng Công nghệ cung cấp dịch vụ in ấn bao gồm in phận điện thoại, bút, đồ trang sức nhiều vật hữu ích khác đồ khách hàng thiết kế riêng Cụ thể nguyên lý làm việc trình LOM: Đầu tiên, thiết bị nâng (đế) vị trí cao cách lăn nhiệt khoảng độ dày lớp vật liệu, lăn nhiệt cán lớp vật liệu này, bề mặt vật liệu có chất kết dính mà ép gia nhiệt trục lăn giúp lớp liên kết với lớp trước Hệ thống quang học đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng hình học mơ hình tạo từ CAD Vật liệu cắt tia laser theo đường viền mặt cắt lát Phần vật liệu dư thu hồi lăn hồi liệu Sau đế hạ xuống theo cẩu 13 nâng hạ xuống thấp vật liệu nạp vào, cấu lại nâng lên chậm đến vị trí thấp chiều cao trước đó, trục cán tạo liên kết lớp thứ hai với lớp thứ chiều dày lớp vật liệu Chu kỳ lặp lại kết thúc Những vật liệu dư đóng vai trị cấu phụ trợ để đỡ cho chi tiết Vật liệu dư cắt thành đường ngang dọc (cross-hatch) Những đường giao tuyến song song làm bong vật liệu dư để lấy dễ dàng sau chế tạo Sau đó, bề mặt chi tiết đánh bóng, xi mạ, sơn phủ theo yêu cầu Theo nguyên tắc tất vật liệu dạng sử dụng cho hệ thống LOM Nhưng thông thường LOM sử dụng nhiều giấy, plastic, gốm vật liệu composite Ưu điểm công nghệ LOM: Vật liệu đa dạng, rẻ tiền Về nguyên tắc sử dụng loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites gốm; Độ xác cao đạt tốt 0,25 mm Bằng việc cắt vật liệu thay hóa rắn nó, hệ thống bảo vệ đặc tính ban đầu vật liệu; Không cần thiết kết cấu hỗ trợ; Tốc độ cao, nhanh phương pháp tạo lớp khác tia laser khơng cắt tồn diện tích mà qt theo chu vi bên ngồi Do đó, vật liệu dày mỏng có tốc độ cắt nhau; Khơng có thay đổi pha trình chế tạo chi tiết nên tránh độ co rút vật liệu; Không độc hại ô nhiễm môi trường Nhược điểm: Không thu hồi vật liệu dư Sự cong vênh chi tiết thường vấn đề phương pháp LOM; Lấy sản phẩm khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn; Độ bóng bề mặt khơng cao Hình dáng máy in 3D cơng nghệ LOM số sản phẩm 1.2.6 Công nghệ “Laser kim loại thiêu kết trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS) 14 Năm 1994, hai hãng Rapid Product Innovations (RPI) EOS GmbH phát triển Công nghệ “Laser kim loại thiêu kết trực tiếp” (Direct metal laser sintering DMLS) Đây phương pháp tạo mẫu nhanh thuộc nhóm tạo hình theo lớp (Additive layer manufacturing), sử dụng vật liệu bột kim loại mở hướng mới, hiệu cho việc chế tạo hệ thống phức tạp Công nghệ DMLS công nghệ sản xuất nhiều phận kim loại quy trình Với DMLS, kim loại bột (đường kính khoảng 20 micron), khơng chứa chất kết dính chất dẫn xuất, bị tan chảy hồn tồn qt chùm tia laser cơng suất cao để chuyển thành dạng vật liệu với tính chất vật liệu ban đầu Lợi công nghệ DMLS so với công nghệ SLS độ phân giải cao sử dụng lớp mỏng hơn, tạo nên hạt có đường kính nhỏ Khả cho phép tạo phần hình dạng phức tạp Các lựa chọn vật liệu cung cấp bao gồm thép hợp kim, thép không rỉ, nhôm, đồng, cobalt-chrome, titan Tuy nhiên, kim loại hợp kim sử dụng cơng nghệ Ưu điểm công nghệ DMLS so với công nghệ tạo mẫu nhanh khác tạo sản phẩm kim loại với mật độ đạt 95% (công nghệ SLS đạt 70%) với độ xác chi tiết cao lớp tạo hình dày 20 µm Hiện nay, sản phẩm thương mại công nghệ máy tạo mẫu nhanh EOSINT M 270 gia cơng tạo hình chi tiết có kích thước tối đa 250mm x 250mm x 215mm với chiều dày lớp từ 20 µm đến 100 µm Q trình gia cơng chi tiết hệ thống máy tóm tắt sau: Nhận liệu thiết kế 3D dạng stl, kiểm tra hình dạng, vị trí trước gia cơng; tiếp đến phủ bột kim loại theo lớp mỏng, chiếu tia laser (Yb-fiber laser 200w) để làm nóng chảy đơng đặc bột kim loại vị trí cần thiết Quá trình tiếp tục hồn tất Sản phẩm sau gia cơng cơng nghệ DMLS tiếp tục gia cơng CNC, nhiệt luyện, đánh bóng Bột kim loại chưa thiêu kết sử dụng lại lần Công nghệ DMLS sử dụng để sản xuất phận trực tiếp cho loạt ngành công nghiệp bao gồm hàng không vũ trụ, nha khoa, y tế ngành cơng nghiệp khác với có kích thước vật in nhỏ đến trung bình Cơng nghệ tạo phận phức tạp để làm phận cấy ghép Ngồi ra, cơng nghệ cịn tạo phận tàu khơng gian vũ trụ địi hỏi tiêu chuẩn chịu nhiệt cao DMLS công nghệ hiệu mặt chi phí thời gian 1.2.7 Cơng nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting) Công nghệ in phun sinh học Bioprinting sử dụng kỹ thuật tương tự máy in phun, vịi phun định vị xác đặt chấm nhỏ mực in để tạo thành hình dạng Trong in phun sinh học, vật liệu sử dụng tế bào người mực Đối tượng in tạo cách phun hỗn hợp “vật liệu giàn giáo” (như hydrogel có chứa đường) tế bào sống nuôi cấy từ mô bệnh nhân Sau in, mô đặt buồng với nhiệt độ điều kiện ơxy thích hợp để tạo điều kiện cho tế bào tăng trưởng Khi tế bào kết hợp, “vật liệu giàn giáo” lấy mô sẵn sàng để cấy ghép 15 Công nghệ in phun sinh học giúp tái tạo 100% mơ hình tim người Cơng nghệ in phun sinh học công cụ kỹ thuật tương đối sử dụng để thiết kế cấu trúc tế bào 3D cho liệu pháp cấy ghép Định nghĩa in ấn sinh học Guillemot, Mironov Nakamura đưa năm 2010: "Sử dụng quy trình truyền tải máy tính để làm mẫu lắp ráp vật liệu sống nhằm sản xuất cấu trúc cơng trình sinh học phục vụ nghiên cứu ứng dụng y học tái tạo, dược động học nghiên cứu sinh học tế bào bản.” Nền tảng công nghệ tận dụng lợi in phun 2D Bioprinting cho phép phun protein ma trận ngoại bào để cung cấp chất xác định cho tế bào, xây dựng cấu trúc tế bào phức tạp, để cung cấp gen enzyme cho tế bào Trong phiên đơn giản nó, in ấn sinh học 3D nhằm mục đích in lớp tế bào lớp tế bào khác vật liệu sinh học giàn giáo Mặt khác, in ấn sinh học 3D tảng tạo điều kiện cho việc xây dựng mô quan phức hợp, đa bào Ưu điểm máy in sinh học 3D mơ quan tạo theo lớp để đạt hình học giải phẫu xác In sinh học 3D thu in laser hỗ trợ sinh học (LaBP) in phun (IBP) II ỨNG DỤNG CỦA IN 3D Công nghệ in 3D ngày phát triển, không giúp cho việc chế tạo khn mẫu xác dễ dàng mà cịn tìm nhiều ứng dụng thực tế sống Công nghệ in 3D ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng… Dưới lĩnh vực ứng dụng công nghệ in 3D 2.1 Công nghiệp sản xuất/chế tạo Các ngành công nghiệp sản xuất/chế tạo trở thành đối tượng sử dụng in 3D nhiều Lý khiến cơng nghệ sản xuất đắp dần sử dụng rộng rãi môi trường công nghiệp cho phép sản xuất phận với số lượng ít, phận có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm, sản xuất theo yêu cầu Lý để sử dụng in 3D giúp giảm độ phức tạp quản lý chuỗi cung ứng, cho phép sản xuất phận chỗ thay phải sản xuất 16 nơi khác mang đến Vì vậy, in 3D mở tiềm lợi chi phí sản xuất, cải tiến quy trình sản phẩm cho nhà cung cấp số trường hợp cụ thể Trong ngành cơng nghiệp tơ: Ngồi mục đích thử nghiệm, thiết kế, tạo mẫu sản xuất số phận, công cụ lắp ráp đặc biệt, ngành công nghiệp ô tô sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất xe hoàn chỉnh Trên thực tế, xe tạo công nghệ in 3D Urbee, sản xuất tồn cơng nghệ in 3D Đa số chi tiết máy in máy in 3D Công ty Statasys - nhà sản xuất hệ thống chép nhanh loại khuôn mẫu Nhà sản xuất xe tập trung vào việc tăng tối đa số lượng phận xe in 3D với mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu Tuy Urbee chưa thể đạt vận tốc ôtô thông thường lại tiết kiệm nhiên liệu hẳn thiết kế đẹp mắt Chiếc xe ô tô Urbee sản xuất toàn công nghệ in 3D Urbee làm cách dùng máy in 3D đặc biệt, in dần lớp thân xe phần lớn chi tiết máy Bởi nên trình “sản xuất kĩ thuật số” thu hút nhiều ý, khác xa với thông thường, vô đơn giản “chỉ đặt chất liệu vào vị trí cần thiết” Urbee xe “xanh” giới từ trước tới nay, với động hỗn hợp xăng điện bên Nó sử dụng lượng phần tám loại phương tiện tương tự, chạy 200 dặm/gallon đường cao tốc Và tuyệt vời hơn, Urbee tạo thành từ vật liệu tái chế Chiếc xe đến 15 năm để nghiên cứu chế tạo có ba bánh, hai chỗ ngồi động đốt cho trường hợp khẩn cấp Động xi-lanh mã lực, chạy 70 dặm cần thiết, nhẹ nhàng tính hiệu Chất liệu tạo bền 30 năm Với giá mua vào khoảng 50.000 USD, giá Urbee giảm sản xuất hàng loạt Tại triển lãm Geneva 2014, Hãng EDAG giới thiệu công nghệ in 3D để sản xuất xe EDAG Genesis có khung dạng xương phận khác với hình dạng mà cơng nghệ sản xuất xe thơng thường khơng thể làm được, cơng nghệ 3D Hãng EDAG cho biết, công nghệ cho phép xe sử dụng hình 17 dạng cấu trúc có tự nhiên, với kết cấu cứng nhẹ chất, loại vỏ ốc hay cấu trúc tổ ong bên xương Bộ khung dạng xương Genesis có cấu trúc chống va chạm, giống xe Chỉ có điều, kết cấu phức tạp nhiều so với thứ sản xuất cách dập hay ép kim loại, đồng thời tạo độ cứng bền vượt trội Các nhà sản xuất xe lớn Hoa Kỳ Ford, GE Mattel sử dụng in 3D để cắt giảm chi phí thời gian sản xuất giai đoạn tạo mẫu Ford sử dụng công nghệ in 3D việc chế tạo đầu xi-lanh sử dụng động EcoBoost (động sử dụng xe đua) nhằm giảm nhiên liệu tiêu thụ Công đoạn giảm khoảng 20-45% thời gian sản xuất Cịn GE ứng dụng cơng nghệ in 3D q trình sản xuất đầu dị siêu âm, giúp cắt giảm khoảng 30% chi phí hoạt động Trong ngành công nghiệp điện tử: Công nghiệp điện tử ngành ứng dụng in 3D Máy in 3D sử dụng để chế tạo phận phức tạp đặc biệt từ chất liệu khác mở trào lưu ngành công nghiệp Rõ ràng, áp dụng cơng nghệ chi tiết phức tạp in cách nhanh chóng chuẩn xác nhiều Hãng Cartesian Úc tạo máy in 3D Argentum, phun mực dẫn điện (làm hạt nano bạc) lên giấy, vải, acrylic, nhựa, MDF nhiều chất liệu sợi thủy tinh khác, tạo bo mạch cứng linh hoạt, chí dệt vào quần áo Máy in 3D in mạch điện tử Mới đây, tháng 6/2017, nhóm sinh viên tốt nghiệp Đại học Stanford chế tạo dạng máy in 3D có chức tạo mạch điện hoạt động tên Rabbit Proto Cụ thể máy in 3D xử lý chất liệu bán dẫn song song với chất liệu nhựa thông thường Các vật liệu dẫn điện nhúng mơ hình 3D in q trình in 3D Đầu in 3D Proto Rabbit thiết kế để phù hợp với phiên khác máy in RepRap Máy in RepRap sản phẩm thiết kế để in hầu hết thành phần chất liệu, có Acrylonitrile butadiene styrene (ABS), Axid polylactic (PLA), hình thức khác nhựa polymer nhiệt Trong lĩnh vực lượng: Hãng Siemen chế tạo thử nghiệm thành công cánh quạt động Turbine khí cơng nghệ in 3D, mở đường cho nhà sản xuất điện thiết bị nặng khác sử dụng công nghệ in 3D, để chế tạo 18 mơ hình ngun mẫu mà chế tạo chi tiết thực tế sản phẩm họ Siemens thử nghiệm cánh quạt tua bin khí lần thực hồn tồn quy trình in 3D Tua bin khí động đốt tạo dịng điện trung tâm khối động Chúng chuyển đổi khí đốt tự nhiên nhiên liệu lỏng sang lượng học, dẫn động máy phát điện sinh lượng điện Siemens cho biết thử nghiệm tiến hành thành công Trung tâm thử nghiệm tuabin London (Anh) vài tháng, bước tiến lớn việc sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo thiết bị phát điện Một lĩnh vực địi hỏi khắt khe tính ứng dụng cơng nghệ Trước đây, q trình sản xuất cánh quạt tuabin chịu điều kiện sản xuất thơng qua q trình đúc rèn, đòi hỏi tốn nhiều thời gian chi phí Tuy nhiên, cánh quạt tuabin sản xuất cách sử dụng công nghệ in 3D, trình sản xuất chúng đơn giản tốn nhiều Trong trình in 3D, chùm tia laze chiếu vào lớp bột kim loại để nung nóng đến tan chảy sau làm nguội Q trình lặp lặp lại lớp một nguyên mẫu cánh quạt tuabin in 3D hoàn tất Ứng dụng q trình này, nhóm kỹ sư Siemens sản xuất cánh quạt tuabin khí từ thiết kế trong hai tháng so với hai năm, khoảng thời gian để sản xuất cánh quạt tuabin thơng thường Tính linh hoạt sản xuất cho phép điều chỉnh xác theo yêu cầu khách hàng cung cấp phận, phụ tùng riêng theo yêu cầu Ngành hàng khơng vũ trụ quốc phịng: Trong lĩnh vực hàng khơng vũ trụ quốc phịng áp dụng công nghệ in 3D vào thực tiễn sản xuất phận máy bay, tàu vũ trụ, chế tạo súng … Đa phần in 3D sử dụng để sản xuất phận phức tạp 19 Hàng khơng vũ trụ quốc phịng áp dụng công nghệ in 3D Người ta ứng dụng công nghệ sản xuất 3D việc sản xuất phận máy bay, đặc biệt phận có hình dạng phức tạp Cơng nghệ tiên tiến hữu ích sản xuất cơng cụ, kiểm tra, bảo trì, lắp ráp hạn chế số lượng hàng tồn kho Hơn nữa, in 3D cho phép cải tiến hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu nhờ giảm trọng lượng phận từ nguyên liệu tiên tiến Những máy In 3D xâm nhập vào công nghệ hàng không tạo nhiều sản phẩm giá trị cao, khối lượng thấp Airbus hãng hàng không áp dụng công nghệ in 3D để tạo nhiều phận cho máy bay Airbus cho biết sản phẩm tạo công nghệ In 3D tốt hơn, hơn, nhẹ từ 50%-80%, giảm bớt 220 cân nặng cơng ty tiết kiệm 2,5 triệu USD tiền mua nhiên liệu năm Hiện hãng Boeing in 200 phận khác cho 10 loại máy bay Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất số phận đặc biệt cho tàu vũ trụ Hơn thế, NASA thực việc in ấn không gian vũ trụ 20 NASA với đối tác Máy in 3D Made in Space thử nghiệm công ty Made in Space phát triển máy in 3D không gian Những đợt thử tàu giả lập không trọng lượng Vomit nghiệm công nghệ in 3D tàu giả Comet lập không trọng lượng Vomit Comet năm 2011 Máy in 3D sản xuất thiết bị phụ kiện, phận thay hay tái chế nguyên liệu suốt chuyến bay Made in Space hi vọng máy in 3D tạo vệ tinh nhỏ CubeSats Và gần đây, NASA cho biết tiềm máy in 3D việc chế tạo đèn chiếu sáng không gian khả phục vụ việc khám phá vũ trũ lớn Công nghệ in 3D cho phép thám hiểm không gian kéo dài bình thường NASA dùng máy in 3D sản xuất áo giáp "Chain mail" Tháng 4/2017, NASA dùng máy in 3D sản xuất áo giáp "Chain mail" bảo vệ phi hành gia tàu vũ trụ "Chain mail" loại áo giáp thiết yếu chiến binh thời trung cổ, xuất nhiều phim, truyện trò chơi Nhưng nay, kỹ sư NASA đɑng hi vọng sử dụng loại áo giáρ cho nhiệm vụ ngồi khơng giɑn Đương nhiên loại áo giáp ƝASA "nâng cấp" để trở nên hữu ích việc giúρ phi hành gia tàu vũ trụ chống chịu với môi trường khắc nghiệt củɑ vũ trụ Được phát triển nhóm nghiên cứu củɑ Raul Polit Casillas từ Phịng thí nghiệm Ƥhản lực Pasadena, California Các nhà khoɑ học NASA tạo phiên "chain mail" củɑ kỷ 21 Thay thợ rèn thời trung cổ dành hàng tuần lễ để nối vịng kim loại nhỏ lại với nhɑu thành hình áo, nhà khoɑ học sử dụng máy in 3D để tạo rɑ áo Điều có nghĩa là, "áo giáρ" sản xuất cần thiết trạm không giɑn, môi trường sống khác Ƭrái đất, tùy thuộc vào nơi mà chúng tɑ đặt chân đến thập kỷ tới NASA dự định sử dụng máy in 3D để xây dựng nhà Mặt trăng, tạo thiết bị di chuyển bao gồm động tên lửa… Tương tự, ngành cơng nghiệp quốc phịng sử dụng in 3D cho mục đích sản xuất đặc biệt tiết kiệm chi phí Ngồi sản xuất theo u cầu phức tạp, sản xuất với số lượng nhỏ, in 3D có lợi khác biệt sản xuất quốc phịng - sản xuất thay nhanh chóng có nhu cầu, trực tiếp chiến trường Sau việc sử dụng nhựa để sản xuất, máy in kim loại 3D chế tạo súng đời cơng ty tập đồn Stratasys 21 Khẩu súng bắn đạn thật sản xuất công nghệ in 3D Khẩu súng bắn đạn thật sản xuất công nghệ in 3D đời năm 2013, súng mang tên Liberator sinh viên người Mỹ Cody Wilson Liberator tạo nên từ 16 thành phần linh kiện khác 15 chi tiết làm nhựa ABS, riêng kim hỏa làm từ kim loại Hiện tại, thiết kế súng 3D Wilson có hàng trăm nghìn lượt tải trở nên phổ biến, chí nằm ngồi tầm kiểm sốt Chính phủ Hoa Kỳ Khác với súng Liberator trước đây, súng sản xuất máy in 3D hãng Solid Concepts dùng chất liệu kim loại có khả bắn 50 loạt đạt Solid Concepts, hãng chế tạo súng 3D kim loại cho biết họ sử dụng Công nghệ DMLS nhiều loại bột kim loại để chế tạo sản phẩm Theo Solid Concepts, việc chế tạo "súng thực sự" cách in 3D để chứng minh tiềm công nghệ in 3D lớn, vượt xa ngưỡng "in đồ trang sức đầu Yoda (một nhân vật Star Wars)" người ta thường nghĩ Những mà hãng Solid Concepts làm với súng in 3D cho thấy công nghệ DMLS công nghệ khả thi có tiềm khơng nhỏ sản xuất súng máy in 3D Với khả bắn 50 loạt đạn, chí cịn thế, súng in công nghệ DMLS chất lượng Và tương lai, phổ biến công nghệ tránh khỏi Công nghệ in 3D phát triển với mục đích thúc đẩy tiến hóa nhiều ngành khoa học Thậm chí Chính phủ Hoa Kỳ cho phép dùng máy in 3D để sản xuất số loại vũ khí chiến đấu phục vụ quốc phịng trang bị cho lực lượng đặc nhiệm Tuy nhiên, kiểm sốt tình hình nay, xã hội Hoa Kỳ phải đứng trước nhiều nguy khủng bố bạo lực vũ khí nóng leo thang Công nghệ in 3D không tạo thiết kế đáng kinh ngạc mà cịn đưa cơng nghệ quốc phịng sang giai đoạn Cơng nghệ in 3D đem đến linh hoạt cho quân đội, nhà sản xuất quốc phịng qn phủ thiết kế 22 chi tiết thành phẩm đơn lẻ, tạo cơng cụ với thể tích nhỏ nhanh xây dựng mơ hình phức tạp xác Điều thực điểm mạnh thiết bị tùy chỉnh vô cần thiết nhằm đáp ứng thời gian biểu chặt chẽ Hiện nay, cơng nghiệp quốc phịng lớn giới hướng tới việc vận dụng công nghệ in 3D sản xuất Điển Hoa Kỳ, Lầu Năm góc đầu tư khoản khơng nhỏ cho việc in 3D quân phục, mẫu da nhân tạo giúp điều trị vết thương, chí đồ ăn phục vụ quân đội Các nhà khoa học Học viện công nghệ Massachusetts (MIT) sáng tạo vật liệu cho in 3D thay đổi tiếp xúc với yếu tố khác nhau, ví dụ nước Cơng nghệ mở triển vọng ngày không xa, quân đội có qn phục đổi màu theo mơi trường Hoa Kỳ cho xây dựng viện nghiên cứu cơng nghệ in 3D thí điểm Youngstown, Ohio với khoản trợ cấp liên bang 30 triệu USD Nó bao gồm tổ hợp công ty sản xuất, trường đại học, trường cao đẳng cộng đồng nhóm phi lợi nhuận khắp Virginia Ohio Pennsylvania Cựu Tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama tuyên bố, Chính phủ Hoa Kỳ quan tâm đến cơng nghệ in 3D Theo ơng Obama cơng nghệ đóng vai trị quan trọng ngành cơng nghiệp quốc phịng thúc đẩy phát triển ngành cơng nghiệp sản xuất Hoa Kỳ Mà cụ thể cơng nghệ giúp thiết kế vũ khí trang bị cho quân đội Ba lĩnh vực cơng nghệ mà Hoa Kỳ muốn áp dụng cơng nghệ in 3d vào sản xuất kỹ thuật số, sản xuất kim loại nhẹ đại, thiết bị điện tử hệ Ví dụ sản xuất kim loại nhẹ đại công nghệ giúp giảm giá thành chế tạo suất động tua-bin gió, thiết bị y tế, động loại xe chiến đấu bọc thép, chế tạo vũ khí cơng nghệ cao thiết bị dành cho lực lượng đặc nhiệm Tuy nhiên, chuyên gia nhận định, công nghệ in 3D thực áp dụng rộng rãi thay cho hoạt động sản xuất thông thường, giới phải chứng kiến biến động lớn trị, quốc phịng kinh tế, có biến động trị quốc gia có cơng nghiệp quốc phịng lớn Hoa Kỳ nhiều công ty trải khắp đất nước tạo việc làm cho hàng triệu người đứng trước nguy bị cắt hợp đồng phục vụ cho quân đội 2.2 Y tế chăm sóc sức khỏe Ưu điểm in 3D thể rõ lĩnh vực y tế chăm sóc sức khoẻ với vơ vàn ứng dụng Cơng nghệ in 3D hữu ích sản xuất mơ hình sinh học (các mơ hình phận người xương, răng, tai giả ) Trong ứng dụng này, mơ hình điện tử phận thể người dựng hình ảnh 3D máy qt 3D Sau đó, mơ hình sinh học tạo lớp lớp nhờ vào công nghệ in 3D Trong ngành giải phẫu, bệnh nhân cá thể riêng biệt nhất, mơ hình sinh học 3D cho phép bác sỹ thực phẫu thuật thuận lợi có hiểu biết sâu thể bệnh nhân chẩn đốn xác Nhờ đó, kế hoạch phẫu thuật chi tiết hơn, thử nghiệm, diễn tập phẫu thuật hay hướng dẫn ca mổ đảm bảo độ xác chất lượng Cơng 23 nghệ in 3D cịn hỗ trợ thử nghiệm phương pháp công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy đào tạo đội ngũ y bác sỹ Chẳng hạn giúp bác sĩ luyện tập phẫu thuật giả lập mô nội tạng nhân tạo chế tạo dụng cụ y học sử dụng để đưa gắn vào thể Ngoài ra, tương tự việc tạo mơ hình sinh học, cơng nghệ in 3D dùng để thiết kế sản xuất phận thể giúp cho phẫu thuật tái tạo cấy ghép Các dụng cụ y tế máy trợ thính, khung đỡ, mặt nạ, giả sản xuất cơng nghệ in 3D theo kích thước, hình dạng, đặc điểm bệnh nhân Một ứng dụng thú vị in 3D chế tạo mô quan người, mà người ta hay gọi In sinh học - Bioprinting Nhờ vào công nghệ này, hệ thống tế bào mô người in theo lớp mực sinh học - mực thu qua xử lý đặc biệt tế bào người chất khác Mặc dù có số vấn đề liên quan đến ổn định chức cấu trúc in sinh học, tiến đáng kể ghi nhận với mô người quan In sinh học hứa hẹn hội quý báu cho phát triển thuốc y tế, phương pháp điều trị thử nghiệm, nghiên cứu y học, chữa lành vết thương, cấy ghép Nếu quan tạo từ tế bào gốc bệnh nhân, có nguy bị đào thải hệ miễn dịch người Chuỗi cung ứng dược phẩm thực tốt với in 3D Trong tương lai, hiệu thuốc chí cá nhân tự in loại thuốc riêng cho từ hợp chất thuốc cách sử dụng máy in 3D Hệ thống yêu cầu tuỳ biến cho phép kiểm sốt phân phối thuốc xác Điều giúp giảm chi phí liên quan cải thiện đáng kể việc điều trị tùy theo cá nhân Trong lĩnh vực y học, cơng nghệ in 3D giúp cứu sống trường hợp bệnh nhân cá biệt đặc thù, mặt khác ứng dụng giúp nhiều bệnh nhân giải vấn đề sức khoẻ thông thường Đặc biệt ứng dụng công nghệ phát triển mạnh lĩnh vực ngoại khoa Ví dụ dùng để chế tạo máy trợ thính Kể từ bắt đầu sử dụng máy in 3D để sản xuất máy trợ thính, hàng triệu người hưởng lợi từ Máy trợ thính khơng thích hợp với tai người sử dụng, gây áp lực lên xương tai, khiến tai bị đau chất lượng âm bị giảm theo Nếu sử dụng máy in 3D chế tạo sản phẩm thích hợp hơn, thoải mái với người sử dụng Khơng thế, thời gian gần người ta cịn sử dụng máy in 3D để phát triển sản phẩm (lót) đế giày phù hợp với người gặp vấn đề hình dạng xương chân, bệnh xương thấp khớp Về ứng dụng sản phẩm in 3D lĩnh vực ngoại khoa, sản phẩm in 3D sử dụng để cấy trực tiếp vào thể người Ví dụ, hình dạng khớp gối phức tạp, gắn khớp nhân tạo cần điều chỉnh nhỏ góc độ giúp giảm đáng kể áp lực lên đầu gối bệnh nhân Đây lĩnh vực tiềm lớn dành cho công nghệ in 3D In 3D bắt đầu sử dụng để sản xuất hộp sọ nhân tạo Cụ thể phẫu thuật cắt bỏ u xương ác tính bệnh nhân, người ta thay phần bị cắt bỏ phần sọ nhân tạo chế tạo máy in 3D Thông thường trước người ta dùng titan để cấy ghép, vấn đề chỗ bệnh nhân tái phát khó để xác định vị trí phần titan sử dụng Nếu sử dụng 24 cơng nghệ in 3D khắc phục nhược điểm In 3D hữu dụng giả lập mô phẫu thuật Trên thực tế có nhiều phận thể người in thành công công nghệ in 3D Chẳng hạn, tháng 4/2013, nhà khoa học Anh thành công việc sử dụng máy in 3D để tạo vật liệu giống mơ sinh học, thực số chức giống tế bào người Ngay từ năm 2011, bác sĩ phẫu thuật Anthony Atala giới thiệu mẫu thận nhân tạo làm từ cơng nghệ in 3D Quy trình tạo phân nhân tạo không khác nhiều với quy trình sản xuất vật dụng 3D khác Vật liệu hỗn hợp collagen tế bào bệnh nhân để tạo cấu trúc 3D Mặc dù chưa thực hoàn thiện việc tạo phận phức tạp nhung số cấu trúc đơn giản sụn, bàng quang ứng dụng vào thực tế Công nghệ in 3D giúp tái tạo 100% mơ hình tim người Mơ hình tim chế tạo Giáo sư Atala thận nhân tạo công nghệ in 3D cứu sống tính mạng bé trai 14 tháng tuổi ca phẫu thuật tim tháng 2/2014 Đây kết chế tạo kỹ sư trường khoa học kỹ thuật J.B Speed trực thuộc Đại học Louisville Các nhà khoa học tạo nên mô hình tim trẻ em cơng nghệ in 3D có kết cấu giống hệt tim bệnh nhân mang đến cảm giác thật bác sĩ chạm tay vào, cho phép bác sĩ lên kế hoạch tốt trước ca phẫu thuật thức thực Sử dụng hình ảnh chụp CT tim bé trai, nhà nghiên cứu tạo nên mơ hình tim cơng nghệ in 3D với kích thước lớn gấp 1,5 lần so với kích thước thật Quả tim chế tạo gồm phần từ sợi dẻo, khoảng 20 để thực tốn tổng chi phí 600 USD Bác sĩ phẫu thuật tim Erie Austin III, trưởng ê kíp phẫu thuật sử dụng mơ hình tim để đưa giải pháp lên kế hoạch tiến trình phẫu thuật Cuối cùng, ê kíp giải tất khuyết tật ca mổ Mơ hình tim giải pháp để lên kế hoạch cho ca phẫu thuật tim phức tạp Tương tự, công nghệ in 3D giúp bác sĩ phẫu thuật ghép mặt, phẫu thuật thay xương hàm Để tăng tỷ lệ thành cơng, êkíp phẫu thuật sử dụng mơ hình phần đầu giống với kích thước thật bệnh nhân, tạo nhờ ảnh chụp CT cơng nghệ in 3D Mơ hình giúp bác sĩ nắm rõ cấu trúc giải phẫu phần mặt bệnh nhân trước tiến hành phẫu thuật Điều giúp rút ngắn thời gian phẫu thuật có lợi cho bệnh nhân 25 Tải FULL (58 trang): bit.ly/3sr3HkB Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net Trong y học cơng nghệ in 3D có đóng góp to lớn sản xuất phận: tai, mũi, xương, răng, chân, tay … chất liệu chuẩn xác mơ thay phận người Công nghệ in 3D FDM cịn có khả tạo mẫu vật, phận thay cho xương người, hộp sọ ngành y học, phận hỗ trợ người tay giả, chân giả, để giúp người phục hồi chức Nhờ có tạo mẫu nhanh phương pháp in 3D FDM mà việc liên kết phận hỗ trợ chức cho người bị tai nạn lao động, tai nạn giao thông trở nên dễ dạng hơn, làm cho người sử dụng không bị đau liên kết phận hỗ trợ Ngồi ra, cơng nghệ FDM tạo chi tiết hộp sọ, xương tay, xương chân, phận thể người để phục vụ cho ngành giáo dục y học Từ liệu CT MRI, liệu xử lí sau đưa vào máy tạo mẫu nhanh FDM tạo phần thay cho người xương (như hộp sọ, răng) mơ hình phục vụ cho việc học tập hay giáo dục (chẳng hạn thận), phận khác tạo mẫu vật liệu màu sắc khác nhau, tạo hình ảnh trực quan ngành giáo dục y học trường y Các mơ hình quan thể người để giúp bác sĩ chẩn đoán trường hợp bệnh tật xác định, lựa chọn phương án điều trị có lợi nhất, vấn đề quan tâm lớn ngành y khoa Đối với kỹ thuật phục hồi chức năng, công nghệ in 3D tạo chi tiết giả để phục vụ cho nạn nhân bị phận tai nạn, với thời gian phục hồi nhanh, tạo hình để liên kết phận giả thể, đảm bảo đạt mục đích chức mà khơng làm người sử dụng Công nghệ in 3D thành công lĩnh vực nha khoa chế tạo chân tay giả Độ xác cao, độ thẩm mĩ cải thiện giúp bệnh nhân dễ dàng thích ứng sử dụng Với công nghệ in 3D, công ty Not Impossible Labs lần tạo chân tay giả với chi phí khoảng 100 USD Các nhà khoa học Công ty thiết kế Autodesk Đại học Toronto phát triển phần mềm cho phép quét phận người khuyết tất, sau thiết kế phận thay cho phù hợp với giá thành thấp Với y học phát triển nay, 26 Tải FULL (58 trang): bit.ly/3sr3HkB Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net người khơng may mắn bị tay chân có hội hoạt động bình thường với chân tay giả cử động linh hoạt Máy in 3D đáp ứng tiêu chí sản xuất bàn tay nhẹ, giá rẻ có độ tương thích cao Một lĩnh vực thức áp dụng kỹ thuật in 3D in xương người cho cấy ghép Các nhà nghiên cứu Đại học bang Washington (Hoa Kỳ) in cấu trúc xương, đóng vai trị khung giàn giáo cho tế bào xương phát triển trước thối hóa dần Cấu trúc in calcium phosphate thử nghiệm thành công động vật Các chuyên gia hy vọng phương pháp giúp chữa trị bệnh nhân bị rạn gãy xương Hiện nay, nhà khoa học thành công việc sử dụng máy in phun 3D để tái tạo tế bào mắt, tế bào da người, in cấu trúc mơ có mạng lưới mạch máu bên loại "mực in sinh học" chứa thành phần chiết xuất từ mô thể Tuy chưa thật hồn hảo, song cơng nghệ in 3D có bước tiến dài lĩnh vực phẫu thuật, y học Những ứng dụng tiên tiến cho thấy công nghệ in 3D giúp ích cho bệnh nhân mở xu hướng y học 2.3 Kiến trúc xây dựng Ngành xây dựng sẵn sàng để đón nhận sóng kỹ thuật gọi công nghệ In 3D vào việc thi công cơng trình dân dụng từ cầu cống đến loại kiến trúc Nền công nghiệp đại tiến dần đến thời kỳ công nghiệp 4.0 đặc trưng phối hợp công nghệ – In 3D, cảm biến, robot; người ta ngày khám phá thêm ứng dụng từ ba công nghệ Dù giai đoạn có nhiều nỗ lực thực thành cơng việc xây dựng tồ nhà máy in 3D khổng lồ Vật liệu phổ biến cho in xây dựng nhựa bê tơng Phương pháp in 3D xây dựng mang lại cải tiến đáng kể chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an tồn xây dựng giảm tác động mơi trường Ý tưởng xây nhà Mặt trăng in 3D xuất số trung tâm nghiên cứu giới Công nghệ sản xuất đắp dần hay in 3D cho phép sáng tạo, chỉnh sửa cách dễ dàng theo ý khách hàng thiết kế kiến trúc xây dựng thực tế Công nghệ In 3D bắt đầu vượt ngồi khn khổ máy in để trực tiếp thực công việc công trường xây dựng sáng kiến sử dụng robot MX3D, công ty công nghệ In 3D Hà Lan tiên phong kỹ thuật việc triển khai dự án in toàn cầu thép độ 15m bắc qua kênh đào thủ đô Amsterdam, tạo nên nguyên mẫu cho phương pháp In 3D robot làm việc tự động theo phần mềm lập trình sẵn Trước để thực cầu tương tự người ta phải lắp ráp phận đúc sẵn, công nghệ in 3D sử dụng phương pháp thiêu kết lớp mỏng bột kim loại tia laser, cho cấu kiện nhỏ bên máy in mà cỡ lớn thuộc hệ máy BAAM dùng để chế tạo mẫu xe Strati Cầu in 3D robot Amsterdam cơng trình phối hợp kiến trúc sư Joris Laarman, công ty công nghệ in MX3D, công ty phần mềm Autodesk công ty xây dựng Heijmans 27 5449804 ... công nghệ in 3D xuất công nghệ in 3D chi tiết chuẩn xác nhất, có sai số thấp công nghệ in 3D khác Hiện 3D Systems hãng nắm quyền thương mại công nghệ in 3D Công nghệ in 3D SLA công nghệ in 3D hoạt... nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting) Công nghệ in phun sinh học Bioprinting sử dụng kỹ thuật tương tự máy in phun, vịi phun định vị xác đặt chấm nhỏ mực in để tạo thành hình dạng Trong in. .. Ưu điểm máy in sinh học 3D mơ quan tạo theo lớp để đạt hình học giải phẫu xác In sinh học 3D thu in laser hỗ trợ sinh học (LaBP) in phun (IBP) II ỨNG DỤNG CỦA IN 3D Công nghệ in 3D ngày phát