Tiềm năng của công nghệ In 3D trong ngành sản xuất – FPT Digital

Công nghiệp sản xuất đã, đang và sẽ đóng vai trò là xương sống của nhiều nền kinh tế. Đây cũng là ngành nghề liên tục tìm kiếm những hướng đi đổi mới trong những năm gần đây. Trong đó, công nghệ in 3D được đánh giá sẽ là công cụ số tạo ra những bước ngoặt cho ngành sản xuất trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0.

Mô hình sản xuất và thiết kế sản xuất truyền thống

Trong lĩnh vực sản xuất, các quy trình sản xuất, máy móc thường được nhắc đến với các công việc thiết kế và sản xuất theo khuôn mẫu. Thực tế, hầu hết các doanh nghiệp hay các nhà máy sản xuất suốt hàng trăm năm nay vẫn luôn gặp phải tình trạng “nghẽn cổ chai” trong quy trình sản xuất mỗi khi sản phẩm mới được đưa vào dây chuyền mà cần có khuôn – thường bằng kim loại – tương ứng mới. Bất kể việc chế tạo khuôn, là từ nội bộ hay thuê ngoài, giai đoạn này luôn gây mất nhiều thời gian và tiền của cùng nhiều rủi ro trong đảm bảo mức độ chính xác, trong giai đoạn thử nghiệm và thu thập phản hồi của khách hàng.

Với thị trường và nhu cầu của khách hàng luôn thay đổi, quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm ngày càng chịu nhiều áp lực trong việc thử nghiệm, lấy ý kiến phản hồi của khách hàng để hoàn thiện sản phẩm. Việc liên tục phải chế tạo khuôn để sản xuất sản phẩm thử nghiệm sẽ tạo ra gánh nặng lớn về chi phí, vô hình chung ảnh hưởng đến các chỉ số kinh doanh. Nhìn xa hơn, mô hình sản xuất truyền thống đã và đang cản trở doanh nghiệp tiếp cận các phương thức thiết kế và sản xuất mới như tư duy thiết kế – design thinking, vốn chú trọng đến sự linh hoạt và thay đổi dựa trên phản hồi của khách hàng để mang lại những sản phẩm phù hợp nhất với thị hiếu.

Để giải quyết các vấn đề tồn đọng ở trên, giúp các doanh nghiệp sản xuất có thể có được bước ngoặt trong vận hành và chuỗi giá trị nghiên cứu – sản xuất, công nghệ in 3D đang dần tạo dấu ấn để trở thành tương lai của ngành. Khi mới được đưa vào ứng dụng, in 3D thường được dùng để phục vụ các nhu cầu sản xuất số lượng nhỏ như các linh kiện chuyên biệt, sản phẩm thử nghiệm hay thậm chí cả khuôn đúc, giúp bao quát cả chuỗi sản xuất và giảm thời gian cung cấp sản phẩm mới ra thị trường. Vài năm trở lại đây, in 3D đã dần được ứng dụng vào sản xuất số lượng lớn, khi một số doanh nghiệp bắt đầu thử nghiệm dây chuyền in 3D với đặc thù dễ dàng và nhanh chóng thay đổi sản phẩm đầu ra khi có yêu cầu.

Công nghệ in 3D trong ngành sản xuất

Những lợi thế của công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D đem lại những lợi thế trong quy trình hoạt động sản xuất của doanh nghiệp và nhà máy sản xuất.

1. Giảm chi phí: Không những giúp giảm chi phí sản xuất khuôn và đầu tư máy móc, in 3D còn giúp giảm cả chi phí nhân công trên phần công việc thực hiện, bởi chỉ cần một người duy nhất khởi động, điều khiển máy sản xuất theo bản thiết kế được tải lên. Trong khi đó, mô hình sản xuất truyền thống sẽ cần một vài khâu cũng như nhiều hơn một nhân công để vận hành để lắp ráp ra một thành phẩm tương đương.
2. Giảm thiểu rủi ro: Với công nghệ in 3D, công việc sản xuất sản phẩm thử nghiệm trở nên dễ dàng hơn và với giá thành rẻ hơn. Khi đó, doanh nghiệp có thể dễ dàng thử nghiệm và thu thập phản hồi từ khách hàng để kiện toàn sản phẩm của mình, giảm thiểu rủi ro về sự đón nhận của khách hàng. Không những thế, trong quy trình sản xuất, doanh nghiệp và nhà máy cũng có thể tính toán chi phí, hiệu suất và các chỉ số hiệu quả của dây chuyền thay vì phải sản xuất một số lượng lớn thành phẩm để có đủ số liệu mẫu.
3. Thất bại rẻ hơn và nhanh hơn: Các dây chuyền in 3D sẽ không cần phải được thay khuôn hay chỉnh sửa nhiều thiết lập mỗi khi thiết kế của thành phẩm thay đổi, vì vậy, không gây ảnh hưởng đến dây chuyền sản xuất chính. Đây là cơ sở để doanh nghiệp sẵn sàng “sai” khi thiết kế và tạo ra các sản phẩm mới.
4. Thời gian tiếp cận thị trường: Nhờ in 3D, thời gian thử nghiệm được rút ngắn, doanh nghiệp có thể nhanh chóng đưa thiết kế thành phẩm mới vào trong sản xuất, đưa sản phẩm ra thị trường, và tạo ưu thế dẫn đầu.
5. Không còn giới hạn về hình thái: Với mô hình sản xuất truyền thống, các chi tiết phức tạp sẽ gây khó khăn trong sản xuất do hạn chế của các công nghệ truyền thống như CNC. Khi áp dụng công nghệ in 3D, các thành phẩm với chi tiết và hình thái phức tạp sẽ không còn là một rào cản đối với các nhà sản xuất.
6. Tiết kiệm tài nguyên: So với phương thức sản xuất truyền thống, ví dụ như ép nhựa, công nghệ in 3D sẽ giúp tiết kiệm được rất nhiều nguyên liệu và vật tư thừa. Đồng thời, doanh nghiệp cũng có thể hạn chế được lượng thành phẩm cần được sản xuất sẵn, kéo theo việc giảm bớt áp lực về kho bãi.

Một số khó khăn trong việc ứng dụng công nghệ in 3D

Mang lại nhiều lợi ích trong sản xuất, tuy nhiên công nghệ in 3D vẫn còn một số những khó khăn trong áp dụng và triển khai:

1. Giá thành đầu tư ban đầu: Việc ứng dụng công nghệ mới đồng nghĩa với giá thành cao trong khâu đầu tư ban đầu. Bên cạnh đó, việc thay đổi mô hình sản xuất có thể dẫn đến lãng phí về dây chuyền cũ.
2. Hạn chế về vật liệu đầu vào: Công nghệ in 3D ở thời điểm hiện tại hầu hết vẫn chỉ giới hạn ở vật liệu như nhựa resin. Một số ngành như chế tác gỗ, kim loại vẫn chưa phổ biến hay sẵn sàng các vật liệu phù hợp để phục vụ in 3D.
3. Giá thành sản xuất: Mặc dù tiện lợi và nhanh chóng để có thể tạo ra các thành phẩm phức tạp vì không cần đến khuôn mẫu, việc chế tạo thông qua công nghệ này vẫn còn có giá thành cao do tốc độ sản xuất in 3D còn chậm và nguyên vật liệu còn đắt đỏ. Vì vậy, công nghệ in 3D vẫn đang thiên về việc sản xuất nhỏ để phục vụ thử nghiệm hay các nhu cầu chuyên biệt.
4. Thiếu hụt về kinh nghiệm: In 3D là một công nghệ mới nên các chuyên gia về sản xuất trong lĩnh vực này vẫn còn chưa nhiều, và các kinh nghiệm chuyên môn về công nghệ này còn giới hạn.
5. Hạn chế về khả năng tái chế: Trong khi xu hướng tiêu dùng ngày nay là bảo vệ môi trường, hầu hết các vật liệu in 3D sau khi được chế tạo thành phẩm hầu như không có khả năng tái chế, không như các vật liệu thông dụng hiện tại như kim loại, thủy tinh, nhựa…

Một số ứng dụng thực tiễn công nghệ in 3D*:

1. ArianeGroup – hãng liên doanh giữa Airbus và Safran, chuyên chế tạo tên lửa phóng

Với đặc thù chế tạo số lượng hạn chế nhưng cần thử nghiệm nhiều, ngành công nghệ vũ trụ là một trong những lĩnh vực ứng dụng công nghệ in 3D tốt nhất. Đặc thù có thể kể đến đầu phun nhiên liệu cho tên lửa Ariane 6 của hãng. Thiết kế đặc thù của chi tiết này khiến việc chế tạo nó cực kỳ tốn thời gian và tiền bạc bởi được cấu thành bởi 248 cấu phần được gia công và hàn lại. Trong khi đó, công nghệ in 3D có thể chế tác nguyên khối chi tiết này bằng hợp kim gốc nickel.

Trước đó, với phương thức chế tác truyền thống, đầu phun nhiên liệu này cần tới hơn 3 tháng để hoàn thiện. Khi sử dụng công nghệ in 3D, chi tiết này được chế tác chỉ trong 35 giờ với chi phí giảm tới 50%.

2. Porsche – hãng xe thể thao của Đức

Là một hãng xe thể thao nổi tiếng với việc đưa một danh sách dài các tùy chọn cho xe, từ nội thất tới ngoại thất, Porsche luôn tìm những hướng đi mới để tối đa trải nghiệm cá nhân hóa cho khách hàng. Hãng xe Đức đã bắt đầu thử nghiệm in 3D ghế với xe đua và đang bắt đầu triển khai thử nghiệm rộng rãi cho các mẫu xe thương mại của mình. Nhờ đó, khách hàng có thể tùy chọn độ cứng mềm của từng phần trên ghế. Xa hơn, hãng còn có kế hoạch triển khai việc chế tác ghế ôm sát theo cơ thể chủ xe, tương tự như công nghệ chế tác đang được ứng dụng trên xe đua Công thức Một.

3. Máng niềng răng trong suốt

Một trong những ngành ứng dụng công nghệ in 3D sớm nhất có thể kể tới là nha khoa. Niềng răng với các dây thép và mối nối kim loại truyền thống đã tồn tại hàng chục năm nay, tuy hiệu quả, công nghệ cũ này vẫn tồn đọng rất nhiều hạn chế, đặc biệt là về tính thẩm mỹ cũng như gây khó khăn cho bệnh nhân trong sinh hoạt hàng ngày như ăn uống và vệ sinh răng miệng. Khi công nghệ in 3D bắt đầu được đưa vào ứng dụng thực tiễn, các công ty công nghệ nha khoa đã nghiên cứu để đưa ra giải pháp nắn nha mới, sử dụng các máng nhựa trong suốt được in 3D. Người dùng có thể thoải mái sử dụng mà không còn mặc cảm về thẩm mỹ và dễ dàng tháo ra khi ăn.

Theo thống kê của SmarTech Analysis, công nghệ máng niềng răng trong suốt này là thành phẩm được ứng dụng rộng rãi nhất của công nghệ in 3D, trong đó Invisalign, thương hiệu đi đầu về công nghệ này sản xuất hơn nửa triệu máng niềng răng trong suốt mỗi ngày.

Nguồn tham khảo
* AMFG. 2020. Industrial applications of 3D printing: The ultimate guide.