Tổng quan về công nghệ in 3D

LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D

KHÁI NIỆM

Công nghệ in 3D hay công nghệ tạo mẫu nhanh là cách thức để thực hiện việc in 3D, hay cách thức để máy in 3D hoạt động.Ngày nay công nghệ in 3D phát triển rất đa dạng, với mỗi sản phẩm 3D có thể được in ra với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạng bột bụi. Với mỗi loại vật liệu cũng có nhiều phương thức để in như sử dụng tia laser, dụng cụ cắt, đùn ép nhựa … Cách thức in thì có in từ dưới lên, in từ đỉnh xuống.

Phương pháp tạo mẫu nhanh (rapid prototying) dựa trên nguyên tắc xây dựng từng lớp vật liệu tương ứng với mô hình 3D bằng cách sử dụng các máy in 3D. Quy trình này thực hiện cần phải có dữ liệu thiết kế đã hoàn thiện và chuyển về định dạng STL (Stereolithography) rồi nhập vào máy in 3D, từ đó sẽ được tự động xử lý và phân mô hình thành các lớp để được tạo mẫu

PHÂN LOẠI

1. SLA (Stereolithography).

– SLA (Stereolithography): là kỹ thuật  ang tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo các lớp nối tiếp cho đến khi sản phẩm hoàn tất, độ dày mỗi lớp nhỏ nhất có thể đạt đến 0,06mm nên rất chính xác.

–    Có thể hình dung kỹ thuật này như sau: đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng,  ang tia laser di chuyển (theo thiết kế) lên mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu này cứng lại. Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu đã cứng được hạ xuống để tạo một lớp mới, các lớp khác được thực hiện tiếp tục đến khi sản phẩm hoàn tất.

– Ưu điểm: Tạo mẫu độ chính xác cao, bề mặt nhẵn, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp và kích thước lớn, sử dụng vật liệu nhựa dạng đục.

– Nhược điểm: Máy móc sử dụng công nghệ này cồng kềnh hơn và đắt hơn so với các công nghệ in 3D khác. Khi sử dụng công nghệ này để tạo mẫu đòi hỏi một số yêu cầu đặc biệt như: cần phải bảo quản mẫu trong phòng tối để tránh ánh  ang mặt trời làm cong vật liệu nhựa cảm quang tạo mẫu, yêu cầu sự bảo dưỡng mẫu cẩn thận và cần xử lý mẫu sau khi in, ngoài ra mẫu có thể chứa một lượng nhựa độc hại tồn tại trong một thời gian hữu hạn

2. SLS (Selective Laser Sintering)

Công nghệ in 3D SLS, (Selective Laser Sintering) vận hành tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bột, thủy tinh,…có thể tạo lớp bằng vật liệu phụ trợ là keo chuyên dụng (có khi kèm màu sắc CMYK, RGB nếu in 3D đa sắc màu), hoặc tia laser, tia UV,…

–   Ưu điểm: Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại, thủy tinh. Tạo mẫu đa dạng về màu sắc, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp, không cần sử dụng vật liệu hỗ trợ. Xét về độ mịn bề mặt, SLS cho chất lượng cao hơn FDM bởi vì rất khó để phân biệt các lớp in bằng mắt thường.

– Nhược điểm: Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao do hao tổn vật liệu lớn. Các mô hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật liệu khá lớn

3. FDM (Fused Deposition Manufacturing)

FDM (Fused Deposition Manufacturing):  ang vật liệu dễ chảy như nhựa nhiệt dẻo. Đầu vòi phun gia nhiệt hóa dẻo vật liệu, sau đó phun lên bệ đỡ theo hình mặt cắt của vật mẫu thành từng lớp. Điểm hạn chế là độ rộng của đường phun phụ thuộc kích thước đầu vòi, nên cần tính toán để chọn đầu vòi thích hợp.

– Ưu điểm: Máy in 3D công nghệ FDM sử dụng  ang loạt các vật liệu nhựa ABS, PLA với các sự lựa chọn màu sắc khác nhau. Chi phí bảo dưỡng thấp, vật liệu in không độc hại, không cần sự giám sát trong quá trình in. Các mẫu in bằng công nghệ FDM độ bền tốt, có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập lớn.

– Nhược điểm:Công nghệ FDM tạo ra các lớp in dày hơn vì vậy công nghệ này thường ít được sử dụng cho việc tạo mẫu yêu cầu độ chính xác tuyệt đối. Bề mặt nhẵn của mẫu in bằng FDM có thể đạt được bằng cách xử lý mẫu bằng tay.

4. Công nghệ in 3D khác.

a. Công nghệ SLM (Selective Laser Melting)

Đây là công nghệ in 3D kim loại, sử dụng vật liệu dạng bột titan, bột nhôm, bột đồng, bột thép để làm vật liệu in 3D. Công nghệ SLM vận hành tương tự SLA, SLS nhưng sử dụng tia UV, tia laser cường độ lớn.

Vật liệu điển hình được sử dụng là thép không gỉ, nhôm, titan, và cobalt chrome. Đối với các ứng dụng trong  ang không vũ trụ hoặc chỉnh hình y tế ngành công nghiệp, SLM được sử dụng để tạo các bộ phận với hình học phức tạp và cấu trúc thành mõng, với các kênh ẩn hoặc khoảng trống

b. Công nghệ EBM (Electron Beam Melting)

Ngược lại với SLM, kỹ thuật EBM sử dụng một  ang tia điện tử máy tính điều khiển dưới chân không để làm tan chảy hoàn toàn bột kim loại ở nhiệt độ cao lên đến 1000 ° C. Đây là loại máy in 3D có thể sử dụng kim loại như titan tinh khiết, Inconel718, và Inconel625 để chế tạo phụ tùng hàng không vũ trụ và cấy ghép y tế. Nhưng trong khi các công nghệ in 3D hiện nay nó rất chậm và rất tốn kém

c. Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing)

Công nghệ LOM sử dụng nguyên liệu đầu vào là các vật liệu có thể dát mỏng như giấy, gỗ … dạng cuộn hay tờ, mỗi layer chính là mỗi tờ giấy hay lát gỗ, biên dạng layer được cắt ra bằng laser hay dụng cụ cắt rồi dán chồng lên nhau tạo nên vật thể 3D. Đối với công nghệ này có thể tạo ra vật thể có màu sắc theo đúng thiết kế.

d. Công nghệ BJ (Binder Jetting)

Đây là công nghệ 3D được phát minh tại MIT. Các công nghệ in 3D xuất hiện dưới nhiều tên. Nó được gọi là “ “in 3D in phun”,”in thả-on-bột” hay – có lẽ phổ biến nhất – là ‘chất kết dính phun’

Binder phun là một quá trình sản xuất chất phụ gia. Đây là loại máy in 3D sử dụng hai vật liệu: một loại bột có trụ sở (thường thạch cao) nguyên liệu và một tác nhân liên kết. Các đại lý đóng vai trò như một chất kết dính giữa các lớp bột. Thông thường, các chất kết dính được ép đùn ở dạng lỏng từ một đầu in – chỉ cần nghĩ đến một máy in phun 2D thông thường. Sau một lớp xong, tấm xây dựng được hạ xuống và quá trình này lặp đi lặp lại.