Công nghệ in 3D là gì? Các công nghệ, ứng dụng của in 3D

Công nghệ in 3D còn được gọi là Công nghệ bồi đắp vật liệu, là phương pháp sản xuất các chất liệu như nhựa, kim loại, resin ra các vật thể ba chiều bằng cách xếp từng lớp với nhau.

Như vậy có thể hiểu in 3D là kỹ thuật tạo nhanh sản phẩm có thể cầm nắm được, cũng có thể sử dụng được như một sản phẩm thông thường. 

Công nghệ in 3D được chia thành 3 nhóm chính dựa trên cách xếp chồng và xây dựng mô hình 3D, vật liệu cấu thành. Các nhóm này bao gồm:

• Công nghệ in 3D từ vật liệu kim loại.
• Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu hữu cơ.
• Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu in 3D dạng nhựa dẻo và phi kim loại.

Máy in 3D là thiết bị hiện đại có sự hỗ trợ của máy tính (CAM) để tạo ra mô hình sản phẩm ba chiều. Giống như máy in truyền thống, máy in 3D cũng nhận dữ liệu kỹ thuật số từ máy tính để làm thông số. Tuy nhiên, máy in 3D sẽ tạo ra một mô hình 3 chiều từ vật liệu tùy chỉnh thay vì in lên giấy.

Công nghệ in 3D có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là các ứng dụng của công nghệ in 3D:

Trong thời trang công nghệ in 3D đã được ứng dụng để tạo ra các sản phẩm như: mủ, túi, quần áo, phụ kiện và trang sức, mắt kính, giày dép,..

Công nghệ in 3D đã được các nhà khoa học ứng dụng để tạo nên các bộ phận giả của cơ thể như: chân, tay, răng, xương với độ chính xác cao và có thể chuyển động theo ý muốn nhờ các thiết bị hỗ trợ khác.

Công nghệ in 3D cũng cho phép các bác sĩ và nhân viên y tế tạo ra các mô hình 3D của các bộ phận của cơ thể, giúp họ hiểu rõ hơn về bệnh lý và thực hiện các phẫu thuật phức tạp hơn.

Công nghệ in 3D được sử dụng trong quá trình sản xuất linh kiện để tạo nên các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp, cũng có thể được dùng để tạo ra các bộ phận thay thế và các sản phẩm tùy chỉnh cho các thiết bị và máy móc.

Công nghệ in 3D được ứng dụng trong sản xuất thực phẩm như bánh kẹo, bao bì, có thể sáng tạo các kiểu dáng thực phẩm theo kiểu dáng họa tiết đa dạng thông qua bản in 3D.

Công nghệ in 3D được sử dụng trong ngành xây dựng kiến trúc để tạo ra các mô hình 3D của các công trình và kiến trúc trước khi bắt đầu xây dựng. Ngoài ra, nhiều người còn sử dụng các mô hình 3D khổng lồ để xây dựng các ngôi nhà có kích thước tương đương. Với sự hỗ trợ của công nghệ in 3D sẽ giúp tiết kiệm nhiều thời gian xây dựng.

Sau đây là các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay

Công nghệ in 3D FDM là công nghệ phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D FDM là đùn nhựa nóng chảy sau đó đưa vào đầu phun tạo thành các sợi nhựa, các sợi nhựa được xếp từng lớp để tạo nên mô hình.

Minh họa công nghệ in FDM

• Ưu điểm: dễ sử dụng, in được các mẫu khổng lồ, chi phí thấp hơn so với các công nghệ in 3D khác
• Nhược điểm: độ mịn không cao nên các sản phẩm tạo thành không đẹp mắt, tương đối thô, khó in được các mẫu phức tạp,

Công nghệ Resin là công nghệ in 3D dựa trên loại mực in 3D resin lỏng. Gồm có công nghệ in 3d liên tục, SLA và DLP. Công nghệ Resin 3D thường được ứng dụng để tạo mẫu trang sức, mô hình miniature, nha khoa,...

• Ưu điểm: Tạo ra sản phẩm đẹp mắt, độ mịn cao
• Nhược điểm: Quy trình in phức tạp chỉ phù hợp để in sản mẫu bé, tinh xảo.

Máy in 3d công nghệ SLS sử dụng tia laser chiếu lên các lớp bột polymer hoặc kim loại để chúng nóng chảy và kết dính lại với nhau tạo nên vật thể. Công nghệ này được ứng dụng để tạo mẫu chi tiết máy, sa bàn, kiến trúc, tượng 3D,...

Minh họa công nghệ in SLS

• Ưu điểm: Cho ra sản phẩm có độ bền cao, đẹp, độ chính xác cao, có thể in được những vật thể có kích thước phức tạp
• Nhược điểm: Chi phí cao, quy trình phức tạp, phải đầu tư nhiều thiết bị hỗ trợ.

Minh họa công nghệ in EBM

Máy in 3D sử dụng công nghệ EBM thực hiện quá trình in bằng cách dùng một chùm tia điện tử máy tính điều khiển trong chân không để làm tan chảy hoàn toàn bột kim loại ở nhiệt độ cao lên đến 1000oC. Công nghệ này cho phép sử dụng các loại kim loại như titan tinh khiết, Inconel 718 và Inconel 625 để tạo ra các phụ tùng cho ngành hàng không vũ trụ và cấy ghép y tế. Tuy nhiên, công nghệ EBM có tốc độ in rất chậm và chi phí rất cao so với các công nghệ in 3D khác.

Công nghệ LOM sử dụng các lớp vật liệu được cán mỏng như giấy, nhựa, gỗ, kim loại… sau đó hợp nhất chúng dưới nhiệt độ và áp suất, sau đó định hình bằng cách cắt tia laser hoặc dao cắt. 

Minh họa công nghệ in LOM

Sau khi quá trình in hoàn tất, bước cuối cùng là gia công và khoan. Mặc dù kích thước chính xác của các sản phẩm in bằng công nghệ LOM thấp hơn so với SLA hoặc SLS, nhưng đây lại là phương pháp in 3D nhanh nhất để tạo ra các đối tượng tương đối lớn. Ngoài ra, màu sắc được in từ máy in 3D sử dụng công nghệ LOM là khá đa dạng.

Công nghệ BJ được gọi là in phun kết dính, công nghệ này sử dụng loại vật liệu gốc dạng bột và chất kết dính dạng lỏng. Các bước để thực hiện quá trình in 3D theo công nghệ BJ có thể được mô tả đơn giản như sau:

Minh họa công nghệ in BJ

Trong thùng chứa bột của máy in 3D, bột được trải thành các lớp bằng nhau và chất kết dính được đưa vào thông qua các vòi phun tia để "dán" các hạt bột theo hình dạng yêu cầu. Quá trình kết dính này được thực hiện theo từng lớp cho đến khi đối tượng hoàn thành. Sau khi quá trình in hoàn tất, toàn bộ đối tượng bị bao phủ hoàn toàn bởi bột.

Sau đó, có thể cần thực hiện các bước xử lý hậu kỳ để hoàn thành quá trình tạo hình. Ví dụ, các bộ phận kim loại có thể được thiêu kết bằng nhiệt hoặc phủ bằng kim loại có điểm nóng chảy thấp như đồng, trong khi các chi tiết bằng ceramic hoặc polyme có thể được bão hòa bằng chất kết dính cyanoacrylate. Phần bột còn lại sau khi in xong có thể được làm sạch để tái sử dụng cho việc in đối tượng khác.

Công nghệ in 3D BJ có thể sử dụng cho nhiều vật liệu khác nhau như kim loại, ceramic, polymer sand, nhựa. Máy in công nghệ này cũng có thể in ra các sản phẩm với đa dạng màu sắc bằng cách thêm các sắc tố vào trong chất kết dính. Công nghệ in 3D BJ chủ yếu được sử dụng trong tạo mẫu nhanh và khuôn ceramic.

Công nghệ MJ vật liệu được đưa vào thành từng giọt thông qua một vòi phun có đường kính nhỏ, giống như cách thức hoạt động của máy in phun trên giấy thông thường. 

Minh họa công nghệ in MJ

Tuy nhiên, thay vì đặt mực trên một trang, quá trình này sẽ lắng đọng các lớp vật liệu lỏng theo từng lớp và sau đó được làm cứng bằng tia UV. Quá trình in này yêu cầu sử dụng các cấu trúc hỗ trợ để tạo hình đối tượng, thường được làm bằng các vật liệu có thể hòa tan trong nước để chúng có thể được rửa trôi sau khi quá trình in hoàn tất.