Công nghệ in 3D là gì? Một số ứng dụng trong sản xuất 4.0

Công nghệ in 3D là ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp sản xuất và chế tạo ô tô. Dự tính với tốc độ phát triển như hiện tại, ngành công nghiệp in 3D có thể đạt mức 84 tỷ đô vào năm 2029.

Công nghệ in 3D là gì? 

Công nghệ in 3D, hay còn được biết tới là công nghệ sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing-AM) là quá trình tạo ra một vật thể rắn ba chiều từ một tệp kỹ thuật số bằng phương pháp chồng lớp. Các lớp vật liệu được đặt liên liên tiếp cho đến khi đối tượng được hoàn thiện, mỗi lớp được xem như một lát cắt mỏng của vật thể. 

Các máy in 3D sử dụng CAD để sản xuất ra các đối tượng từ nhiều vật liệu khác nhau như nhựa, bột nóng chảy, vật liệu tổng hợp hoặc vật liệu sinh học. Máy in 3D có đa dạng kích cỡ, từ thiết bị có thể đặt trên bàn làm việc để các mô hình xây dựng lớn, từ đó chúng có khả năng ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau, từ tạo ra một đôi giày đến thiết kế một căn nhà. Cách thức sản xuất này là một trong những công nghệ 4.0 nổi bật, vượt trội hơn so với những phương thức truyền thống nhờ tiết kiệm thời gian sản xuất, giảm các lãng phí nguyên vật liệu và thân thiện với môi trường.

Cách thức hoạt động của công nghệ in 3D

Quy trình hoạt động của in 3D được đơn giản hóa với 3 bước chính: thiết kế với phần mềm, cắt mô hình và in. 

Phần mềm tạo mô hình 3D 

Bước đầu tiên của bất cứ quy trình in 3D nào là tạo mô hình 3D. Hầu hết các sản phẩm ứng dụng công nghệ in 3D có cấu tạo phức tạp, yêu cầu sự chính xác cao đến từng milimet. Do đó, các chuyên gia cần sử dụng phần mềm chuyên biệt CAD (Computer Aided Design), tận dụng sự trợ giúp của máy tính để phác thảo, mô phỏng, lắp ráp mô hình và xuất bản vẽ kỹ thuật. Phần mềm này cho phép các nhà in tùy chỉnh đến từng chi tiết nhỏ nhất. 

Cắt lát mô hình

Vì máy in 3D không thể hình thành các khái niệm ba chiều giống như con người, do đó mà các kỹ sư cần phân chia mô hình 3D đã được thực hiện trong CAD thành hướng dẫn cụ thể. Phần mềm Slicing thực hiện quét từng lớp của một mô hình và định hướng cho máy in các di chuyển để lặp lại lớp đó. 

Đồng thời, công đoạn này cho máy in 3D biết được các khoảng rỗng và ‘cần lấp đầy’ bên trong vật thể, cung cấp cho đối tượng in 3D mạng lưới các cột để định hình và khiến vật phẩm hoàn thiện chắc chắn hơn. Sau khi mô hình được cắt lát, nó sẽ được sử đến máy in 3D để bắt đầu quá trình in.

Tiến hành in

Máy in 3D hoạt động như một máy in phun truyền thống. Trong đó, sẽ có một vòi phun di chuyển qua lại trong khi phân phối từng lớp sáp hoặc polymer như nhựa, đợi lớp đó khô, phun lớp tiếp theo và tiếp tục lặp lại thao tác này. Về cơ bản, điểm khác biệt của máy in 3D là nó in chồng hàng trăm hoặc hàng nghìn bản in 2D lên nhau để tạo ra một vật thể 3 chiều.

Một số ứng dụng của công nghệ in 3D trong sản xuất

Chế tạo ô tô, sản xuất linh kiện

Các nhà sản xuất ô tô đã sử dụng công nghệ này để in các bộ phận phụ tùng, dụng cụ, đồ gá. In 3D cho phép sản xuất theo yêu cầu, nhờ vậy mà lượng hàng tồn kho thấp hơn và thời gian thiết kế và sản xuất cũng được rút ngắn. 

Với khả năng thiết kế chuẩn xác từ những chi tiết đơn giản đến phức tạp, in 3D là một công nghệ tối ưu cho ngành sản xuất linh kiện. Nhờ ứng dụng in 3D, các linh kiện được sản xuất với thời gian nhanh hơn với ít nguyên vật liệu và giá thành rẻ hơn. 

Bên cạnh đó, nhiều kỹ sư hiện nay đang tận dụng những file 3D kỹ thuật số trên nền tảng Thingiverse – nơi tập trung hơn 2500 bản thiết kế linh kiện của nhiều đồ vật, để sửa chữa, thay thế những linh kiện hỏng, bao gồm cả những phần không được sản xuất nữa.

Xây dựng

Một ứng dụng khó tin của công nghệ sản xuất bồi đắp là khả năng xây dựng một căn nhà với kích thước nhỏ trong vòng 24h. Các kiến trúc sư và người mua nhà có thể tùy chỉnh hình dạng ngôi nhà trong giai đoạn thiết kế. Ngạc nhiên hơn, chi phí cho một ngôi nhà in 3D hiện nay khá rẻ, trung bình khoảng 10000 đô la, chưa tính hệ thống điện nước.

Nhờ chi phí rẻ và tính khả thi của những ngôi nhà in 3D, các tổ chức phi nhuận và doanh nghiệp kỳ vọng chúng sẽ giúp giải quyết vấn đề nhà ở cho những người vô gia cư và những người thu nhập thấp. 

Y tế

Y tế cũng là một lĩnh vực được hưởng lợi nhiều nhất từ công nghệ in 3D. Hiện nay, các nhà khoa học đã tạo ra xương hoặc răng giả với máy in 3D và máy quét 3D. Trong tương lai gần, chúng ta có thể chứng kiến máy in 3D tạo ra các cơ quan trong cơ thể cho những người đang chờ cấy ghép. Thay vì chờ đợi lâu để được hiến tạng theo phương pháp truyền thống, các bác sĩ và kỹ sư đang nỗ lực hợp tác để ứng dụng công nghệ vào nền y tế, có thể tạo ra tim, thận và gan. 

Trong quá trình này, các cơ quan đầu tiên được tạo mô hình 3D bằng cách sử dụng các thông số kỹ thuật chính xác của cơ thể người nhận, sau đó sự kết hợp của các tế bào sống và gel polymer (hay còn gọi là liên kết sinh học ) được in từng lớp để tạo ra cơ quan người sống. Công nghệ đột phá này có khả năng thay đổi ngành y tế và giảm đáng kể số lượng bệnh nhân trong danh sách chờ hiến tạng tại Mỹ.

Tại sao in 3D có thể trở thành tương lai của sản xuất 

Tính linh hoạt, độ chính xác và tốc độ của máy in 3D khiến chúng trở thành một công cụ tiềm năng cho tương lai của ngành sản xuất. Ngày nay, nhiều máy in 3D được sử dụng với mục đích tạo mẫu nhanh. 

Nhiều doanh nghiệp sản xuất trên thế giới ứng dụng công nghệ in 3D để thực hiện một nguyên mẫu trong vài giờ, thay vì lãng phí hàng tháng trời và tiêu tốn hàng triệu đô cho hoạt động nghiên cứu và phát triển sản phẩm. Trên thực tế, một số máy in 3D giúp tạo ra nguyên mẫu nhanh hơn gấp 10 lần và tiết kiệm hơn 5 lần so với quy trình truyền thống. 

Công nghệ in 3D có thể tham gia vào hầu hết mọi ngành công nghiệp. Chúng không chỉ được tận dụng trong việc tạo mẫu, mà nhiều máy còn được giao nhiệm vụ in thành phẩm khi ngành xây dựng đang ứng dụng phương pháp này để in những ngôi nhà hoàn chỉnh. 

Tính linh hoạt và khả năng thích ứng của Additive Manufacturing khiến nó trở thành nhân tố tạo nên lợi thế cạnh tranh trên đường đua sản xuất đối với mọi ngành công nghiệp. 

Việc tích hợp công nghệ 4.0 vào các nhà máy thông minh hiện nay cũng được coi là chìa khóa để quy trình sản xuất diễn ra hiệu quả hơn, gia tăng tốc độ, thời gian giao hàng, tiết kiệm chi phí và cải thiện chất lượng. Một số lợi ích khi tích hợp công nghệ sản xuất bồi đắp vào trong nhà máy thông minh, bao gồm: 

• Đơn giản hóa việc sản xuất

  và có thể dễ dàng hỗ trợ sản xuất từ khối lượng đơn hàng thấp đến cao. Các nhà thiết kế sử dụng máy in 3D được kết nối với điện toán đám mây để thiết kế và tạo ra vật mẫu. Sau khi sản phẩm mẫu được hoàn thiện và đạt tiêu chuẩn, bản thiết kế kỹ thuật số sẽ được gửi đến các máy in 3D trong nhà máy thông minh có kết nối với điện toán đám mây để bắt đầu sản xuất. 

• Sản xuất nhanh hơn

  . Khác với những quy trình truyền thống, tác vụ ép phun đòi hỏi các dụng cụ đi kèm đắt đỏ mới có thể tùy chỉnh và sửa đổi sản phẩm trong quá trình thiết kế và dễ gây nên lãng phí do phế phẩm. In 3D chỉ cần máy in và nguyên vật liệu, thiết kế được đưa vào sản xuất mà không cần lắp đặt thêm các dụng cụ khác. Từ đây, doanh nghiệp có thể đảm bảo công suất với tốc độ nhanh chóng và linh hoạt hơn với chi phí cạnh tranh.

• Tích hợp theo chiều dọc

  . Các nhà máy kết nối được điều khiển bởi dữ liệu và sử dụng dữ liệu sản xuất để tối ưu quy trình, đảm bảo năng suất, thông lượng và sự nhất quán giữa các máy. Với Machine Learning và các giải pháp tích hợp theo chiều dọc bao gồm phần cứng, phần mềm và nguyên vật liệu, Smart Factory có thể đem lại chất lượng nhất quán giữa các quy trình sản xuất hàng loạt và giữa các máy in với nhau. Các công ty in 3D cung cấp bộ phần mềm thiết kế tích hợp đầy đủ, máy in 3D sản xuất nhanh, quyền truy cập vào máy in 3D trong nhà máy thông minh thông qua điện toán đám mây hoặc IoT, giúp doanh nghiệp sản xuất dễ dàng kiểm soát từ đầu đến cuối quy trình sản xuất.

KẾT

Với tính ứng dụng cao, công nghệ in 3D có thể tham gia vào mọi lĩnh vực, thay đổi phương thức sản xuất truyền thống kém hiệu quả. Song song với việc ứng dụng công nghệ in 3D, các nhà sản xuất có thể triển khai kết hợp với các phần mềm quản lý như MES, giúp theo dõi và đo lường hiệu quả sản xuất, từ đó lập kế hoạch sản xuất khả thi hơn, xây dựng nền tảng cho việc ứng dụng công nghệ sản xuất bồi đắp nâng cao trong nhà máy.