Case Studies
2.0K

In 3D và chuyến hành trình đến những miền đất mới  

Từ tách café Espresso đến một thế giới mới của riêng bạn

Ngồi nhâm nhi tách café Espresso Italy rồi làm việc hay tận hưởng chiếc bánh pizza thơm ngon khó cưỡng cùng gia đình ngay tại nhà mà không cần phải sử dụng tới những chiếc máy pha café hay những chiếc máy làm đế bánh pizza đắt đỏ, cũng không cần phải lặn lội đi hàng cây số để tận hưởng nó. Đó là những gì mà một chiếc máy in 3D [1] đã có thể làm được, và với những tính năng ưu việt của nó, trong tương lai việc mỗi máy in 3D trở thành “người đồng hành sản xuất” của mỗi nhà xưởng và là “người bạn” của mỗi gia đình sẽ không còn là việc bất khả thi nữa. Cũng như cái cách mà máy tính và Internet đã từng “thâm nhập” vào doanh nghiệp và các gia đình từ nông thôn đến thành thị. [2]

Máy in 3D pha Cafe espresso. Nguồn: www.pollen.am.

Nhìn lại dòng chảy quá khứ, chúng ta đã từng phát minh ra máy in 2D [3]. Nó có thể giúp chúng ta biểu diễn một vật thể lên trên bề mặt giấy, gỗ,…Tuy nhiên, thay vì chỉ được nhìn ngắm mà lại không được sử dụng, không được chạm tay trực tiếp vào sản phẩm mà việc chế tạo lại phải thông qua những cỗ máy to lớn khác đã làm cho các nhà khoa học, kĩ thuật trăn trở. Và cuối cùng vào những năm 1980, Hideo Kodama và Chuck Hull [4] đã làm nên lịch sử khi khám phá thành công về công nghệ in 3D.

Charles Hull phát minh ra máy in 3D đầu tiên với công nghệ Stereo lithography Nguồn: www.pinterest.com

Charles Hull phát minh ra máy in 3D đầu tiên với công nghệ Stereo lithography. Nguồn: www.pinterest.com.

Rõ ràng, việc tạo ra một sản phẩm ngay tại nhà đã không còn chỉ dừng lại ở trí tưởng tượng nữa, tất cả những gì bạn cần là sẵn sàng tiếp thu công nghệ, sáng tạo về sản phẩm, và cả một “ thế giới mới của bạn” sẽ được tạo ra. Nắm bắt được xu thế công nghệ của tương lai, chắc chắn cơ hội để phát triển của mỗi chúng ta trở nên rộng mở hơn, hay đơn giản là tạo ra những vật dụng gia đình cần thiết, những món đồ mình yêu, giúp cuộc sống chúng ta trở nên “thông minh” và “tiện nghi” hơn như ví dụ dưới đây:

Ảnh : Robot 3D beehex làm bánh pizza. Nguồn: http://static5.businessinsider.com

Robot 3D beehex làm bánh pizza. Nguồn: Business Insider.

https://www.makexyz.com

Mô hình đô thị làm bằng máy in 3D. Nguồn: makexyz.com.

Và công nghệ in 3D mở ra trước mắt

Tôi sẽ cùng bạn đi tới một ví dụ đơn giản: Bạn muốn tạo ra một món đồ chơi theo cách bạn muốn? À khoan, bạn có thể vẽ tay ra giấy để trí tưởng tượng thỏa sức bay bổng. Nhưng chỉ với chiếc bút chì và tờ giấy trắng, bạn sẽ không tạo ra được thứ mà máy in 3D có thể hiểu được. Hãy thử tạo nó bằng một phần mềm thiết kế 3D, hay dễ dàng hơn, bạn có thể quét 3D [5],… và việc còn lại là để cho máy in 3D xử lí, bạn sẽ có được món đồ chơi ngay theo ý của bạn, không phải chỉ dừng lại là một bản vẽ nữa.

Ảnh : Mô hình 3D của chú mèo máy Doraemon Nguồn : https://www.cgtrader.com

Mô hình 3D của chú mèo máy Doraemon. Nguồn: cgtrader.com.

Chắc hẳn đến đây bạn đã có được một cái nhìn đơn giản về máy in 3D, thực tế để có được một sản phẩm từ máy in 3D, nó bao gồm 4 công đoạn chính:

  1. Tạo ra mô hình 3D thông qua thiết kế 3D (AutoCAD, Sketchup,…) hoặc thông qua máy quét 3D kĩ thuật số [5]
  2. Thông qua quá trình chuyển đổi dữ liệu (GCODE , STL,…[6])
  3. Cắm USB vào và máy in 3D sẽ thao tác tạo mẫu
  4. Tạo ra mẫu sản phẩm và xử lí sau sản xuất

Về chi tiết quá trình in 3D, bạn đọc có thể theo dõi thêm tại 3dhubs.com

Nguồn : Creatz3D Việt Nam

Quá trình in 3D. Nguồn: Creatz3D Việt Nam.

Khi mà công nghệ in 3D đã xuất hiện ở hầu hết các lĩnh vực, cũng đồng nghĩa với việc cần phải có nhiều phương pháp để phù hợp và thuận lợi, tiết kiệm chi phí hơn cho việc sản xuất. Dưới đây là cái nhìn tổng quan về các phương pháp in 3D

Ảnh : Các phương pháp in 3D. Nguồn: https://www.3dhubs.com

Tổng quan các phương pháp in 3D. Nguồn: www.3dhubs.com. Click vào ảnh để phóng to.

Tôi chỉ đi vào phương pháp phổ biến nhất hiện tại, đó là phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling) [7]: đó là phương pháp phủ vật liệu từng lớp, tạo ra các phần bằng cách đắp từng lớp từng lớp từ dưới lên với đầu phun được nung nóng và ép đùn sợi nhựa nhiệt dẻo – là phương pháp được yêu thích nhất, có thể hiểu như kiểu bạn đắp cát xây lâu đài ở bãi biển, có điều thay vì bạn dùng tay thì bạn chỉ việc ngồi chờ và máy sẽ làm cho bạn.

Ảnh : Nguyên lí hoạt động của phương pháp FDM

Nguyên lí hoạt động của phương pháp FDM. Nguồn: Creatz3D Việt Nam.

Ngoài ra bạn đọc quan tâm hơn về các phương pháp in 3D, có thể xem thêm tại phần tham chiếu bên dưới.

Để làm ra một món ăn ngon thì chắc chắn phải có nguyên liệu tốt. “Nguyên liệu” của máy in 3D để tạo ra “món ăn” cũng vô cùng đa dạng, từ nilon đến nhựa, từ kim loại đến những kim loại quý, từ rẻ đến đắt, mỗi vật liệu là một loại “hương vị” phù hợp với mỗi sản phẩm của các lĩnh vực. Tuy nhiên giá thành của hầu hết các loại vật liệu là khá đắt, phổ biến và giá thành hợp lí nhất hiện tại vẫn là nhựa ABS và nhựa PLA. (Xem thêm tại phần tham chiếu ở cuối bài).

Bức tranh toàn cảnh nền công nghiệp sản xuất trong tương lai

Ảnh: Tương lai của nền sản xuất Nguồn: Leading Edge printing Ebook

Tương lai của nền sản xuất. Nguồn: Leading Edge printing Ebook [8].

INFOGRAPHIC: All the ways 3D printing. Nguồn: Business Insider

INFOGRAPHIC: All the ways 3D printing. Nguồn: Business Insider.

Hiện tại, ưu tiên hàng đầu trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ in 3D đó chính là gia tăng tốc độ để tạo ra sản phẩm. Nước Đức với nền cơ khí chính xác hàng đầu thế giới cũng đang đi đầu trong lĩnh vực in 3D, kế đến là Trung Quốc, Hàn Quốc, Mỹ,…

Nhìn vào bức tranh tổng quan của in 3D, dù trong bất cứ lĩnh vực nào như: sức khỏe, hàng tiêu dùng, chuỗi cung ứng,…in 3D đều góp mặt trong đó những lĩnh vực có tiềm năng nhất đó chính là cơ khí, tự động hóa, hàng không và y khoa.

Cơ hội len lỏi vào từng ngôi nhà

In 3D lan tỏa, Nguồn: www.shapeways.com

In 3D lan tỏa. Nguồn: www.shapeways.com.

Tạo ra sản phẩm từ máy in 3D cũng giống như cái cách chúng ta làm bánh vậy: Nghĩ ra mẫu bánh, đi chế tác mẫu hình dáng bánh rồi lựa nguyên vật liệu cho vào lò nướng. Tiện nghi, thông minh, thật khó để chúng ta không tin được rằng chiếc máy in 3D này trong tương lai lại không trở nên phổ biến được.

Chuyện làm sản xuất

Có 2 anh cùng làm sản xuất, một anh tên “CNC” [10], anh bạn còn lại tên “3D machine printing” [2], anh bạn CNC đã bắt đầu làm sản xuất từ những năm 1950, còn anh “ba đê” mới gia nhập thị trường sản xuất từ những năm 1980, với vốn kinh nghiệm và kiến thức, cũng như sự đầu tư phát triển, anh CNC rất tự tin để nắm giữ thị trường và đến bây giờ vẫn là một thế lực thực sự với khả năng tự động hóa gia công và độ chính xác cao, cùng khả năng gia công hàng loạt giúp cho chi phí giảm đáng kể. Đối với người tiêu dùng, hàng rẻ mà chất lượng, lại không phải ngồi mong ngóng chờ đợi hàng ngày để có thể sở hữu sản phẩm theo mong muốn luôn là một trong những ưu tiên hàng đầu trong sự lựa chọn của họ.

So sánh giữa máy CNC và in 3D. Nguồn: Creatz3D Việt Nam.

So sánh giữa máy CNC và in 3D. Nguồn : CreatZ3D

So sánh giữa máy CNC và in 3D. Nguồn: Creatz3D Việt Nam.

Chú thích:

  • Lead Time trong Lean [12]: thời gian từ lúc khách đặt hàng cho đến khi khách nhận được hàng.
  • Inspection Time: thời gian kiểm tra.

Nhìn vào những số liệu trên, các bạn cũng đừng ngạc nhiên nếu một ngày “3D printing” sẽ đóng góp không nhỏ vào thị trường sản xuất, khi mà với công nghệ 3D, một công ty nhỏ cũng có thể sản xuất được chuỗi cung ứng, với giá thành rẻ, thời gian sản xuất rút ngắn đáng kể và đặc biệt là nó có thể chiếm lĩnh trong hầu hết các lĩnh vực. Tuy nhiên thời điểm đó vẫn chưa phải là bây giờ, khi việc nghiên cứu và xử lí các sản phẩm công nghiệp và vật liệu kim loại vẫn còn gặp khó khăn. Nhưng anh “CNC” cũng phải nên lo ngại dần về anh: “3D printing”. Cùng một sản phẩm, một anh sản xuất giá 50$ mà một anh lại sản xuất chỉ với giá 30$, lại còn được tận hưởng cảm giác “nóng hổi” nữa, thì liệu có ai mà lại đi chọn 50$ không. Nếu nó thực sự bùng nổ như sự kì vọng thì đó sẽ là bước đột phá lớn trong nền sản xuất [11].

Điểm dừng xe cuối cùng

Trên chuyến xe hành trình khám phá ở “thế giới in 3D”, chúng ta đã đi qua nhiều “miền đất”, từ “cách làm bánh” (phương pháp) tới “quy trình làm bánh” (quy trình của máy in 3D), từ “nguyên liệu” (vật liệu sản xuất) đến “thiên đường ẩm thực trong mơ” (các lĩnh vực in 3D trong tương lai). Và điểm dừng cuối cùng của tôi trong bài viết này đó chính là mảnh đất hình chữ S mà chúng ta đang sinh sống và khao khát cống hiến, làm việc này.

Thực tế, Việt Nam chúng ta cũng đã có được những thành tựu nhất định về in 3D: Đã có những công ty tự lắp đặt và sản xuất máy in 3D như 3Dmaker.

Nguồn : 3Dmaker

Máy in 3D starter do hãng 3Dmaker sản xuất. Nguồn: 3Dmaker.

Cũng có những nơi đang nghiên cứu như trường đại học Bách khoa Hà Nội: PGS-TS Nguyễn Huy Ninh bộ môn Công nghệ Chế tạo máy và nhóm sinh viên đã nghiên cứu chế tạo ra máy in 3D sử dụng nguồn sáng số hóa (nguồn sáng từ máy chiếu văn phòng mà không cần laser), vật liệu sử dụng là polyme quang hóa có độ bền cao.

Máy in 3D sử dụng nguồn sáng số hóa của trường đại học Bách Khoa Hà Nội nghiên cứu. Nguồn: youtube.com

Máy in 3D sử dụng nguồn sáng số hóa của trường đại học Bách Khoa Hà Nội nghiên cứu. Nguồn: YouTube.

Máy in 3D cũng đã được áp dụng vào y tế tại Việt Nam: chúng ta đã dùng in 3D để vá được đầu người. Phẫu thuật bằng phương pháp này đánh dấu một bước ngoặt của công nghệ in 3D với thị trường công nghệ tại Việt Nam: rút ngắn thời gian phẫu thuật và điều trị, thẩm mỹ cao, độ chính xác về kích thước miếng ghép cao, đặc biệt giảm đáng kể chi phí cho ca mổ [13].

Mảnh sọ nhân tạo được làm bằng máy in 3D. Nguồn: www.vtv.vn.

Mảnh sọ nhân tạo được làm bằng máy in 3D. Nguồn: VTV.

Trên các trang báo Việt Nam hiện nay, các loạt bài về “Công nghiệp 4.0″ [14], “máy in 3D” rất nhiều, nhưng chúng ta cũng phải nên thực tế nhìn nhận rằng hiện tại nguồn lực sản xuất chủ yếu của chúng ta vẫn là “gia công”, để có thể thích ứng được với các công nghệ mới, thì việc nâng cao chất lượng nguồn lực phổ thông là rất cần thiết.

Nhìn cụ thể vào “công nghệ in 3D”, khi tại các nước phát triển trên thế giới, họ đang tập trung nguồn lực và vốn vào việc nghiên cứu và sử dụng vào nền công nghiệp sản xuất thì hiện tại chúng ta mới chỉ đang ở hướng tiếp cận, vật liệu chủ yếu vẫn là nhựa. Để tạo ra những sản phẩm bằng vật liệu kim loại hay nhiều vật liệu khác để có thể áp dụng vào nền công nghiệp sản xuất thì nó là một câu chuyện hoàn toàn khác, đòi hỏi phải có sự đầu tư và nghiên cứu đúng đắn. Nhưng cũng đừng vì thế mà bạn lo ngại không dám tiếp cận nó, trên thế giới có khá nhiều nguồn tài nguyên mở (file bản vẽ, code tạo mẫu , tài liệu chuyên sâu,…) và những cộng đồng về in 3D.

Xu thế công nghệ thay đổi, nó vừa là cơ hội, vừa là thách thức, thay vì ngồi chờ đợi và bị xu thế cuốn đi, hãy là người đi đầu và nắm bắt nó, dù những ngành nghề có xu hướng thay đổi theo thời gian thì những người có kĩ năng và chủ động vẫn sẽ luôn có chỗ.

Lời kết

Trong bài viết này, tôi đã giới thiệu đến quý độc giả các hình dung cơ bản về công nghệ in 3D, máy in 3D và những tính năng cũng như sự khác biệt của in 3D với việc sản xuất truyền thống. Bên cạnh đó là những phương pháp, công nghệ in 3D và vật liệu sử dụng trong in 3D. Ngoài ra bài viết cũng đưa ra những thành tựu nhất định, những định hướng và xu thế in 3D trên thế giới và cuối cùng đó là những thành tựu đã đạt được của Việt Nam, những đánh giá sơ bộ về hiện tại và tương lai của Việt Nam trong công nghệ in 3D.

Trong bối cảnh nền công nghiệp 4.0 hiện nay, ngoài Internet of things, robotics, big data, machine learning,… các doanh nghiệp, các trường đại học hàng đầu trên thế giới như: đại học Oxford, Stanford, MIT,…; các doanh nghiệp: Stratasys, 3D Systems,… cũng đã và đang rất chú trọng đầu tư nhân lực, tiền bạc vào trong lĩnh vực in 3D. Trong hoàn cảnh đó, việc nắm bắt và dẫn đầu xu thế để thay đổi cho phù hợp là bắt buộc đối với mỗi doanh nghiệp. Ngoài ra, những trường đại học tại Việt Nam, nên chú trọng đầu tư, đưa máy in 3D và công nghệ in 3D vào giảng dạy học tập và nghiên cứu, nếu không ngay cả việc tiếp cận và sử dụng được nó cũng đã gặp khó khăn chứ chưa nói gì đến việc làm chủ nó và tạo ra “thiên đường mơ ước” của chúng ta.

Nero @ MESLAB

Tham chiếu

Một số phương pháp in 3D khác [15]

1. Binder Jetting (Đây là phương pháp dùng 1 chất lỏng đóng vai trò là chất kết dính vật liệu chính dạng bột. Sản phẩm sau đó có thể được đưa đi nung để nâng cao cơ tính,…).

2. Material Jetting (Phương pháp phun vật liệu sau khi đã trộn với chất kết dính hoặc đã làm nóng chảy, ứng dụng vào vật liệu điện tử).

  • Material jetting
  • NPJ (Nano particle jetting)
  • DOD (Drop on demand)

3. Sheet Lamination (Phương pháp tạo sản phẩm bằng cách “cắt” các tấm vật liệu sau đó “dán” chồng lên nhau), chủ yếu dùng tạo mẫu nhanh).

4. Vat Photo Polymeriazation (Phương pháp này dùng 1 loại ánh sáng (UV) để làm đông cứng chất lỏng (resin). Ưu điểm của phương pháp này là in rất nhanh. Ví dụ có thể tạo ra mô hình tháp Eiffel trong vòng 7 phút.

  • SLA (Stereolithography): dùng 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.
  • DLP (Direct light processing): sử dụng một màn hình máy chiếu kĩ thuật số để chiếu một hình ảnh duy nhất của mỗi lớp trên toàn bộ diện tích in.
  • CDLP (Continuous direct light processing): Xử lí ảnh sang trực tiếp liên tục và chuyển động theo phương Z.

5. Powder bed fusion: Phương pháp tạo sản phẩm bằng cách làm nóng chảy bột kim loại dựa vào nguồn nhiệt từ laser:

  • SLS (Selective Laser Sintering): Sử dụng chùm tia laser làm tan chảy các hạt nhỏ vật liệu ở các vị trí bề mặt và khiến các hạt này dính với nhau để tạo thành hạt rắn.
  • SLM (Selective Laser Melting): khá giống SLS, nguồn nhiệt Laser Beam.
  • EBM (Electron Beam Melting): khá giống SLM, nguồn nhiệt là Electron Beam.
  • MJF (Multi jet fusion).

6. Directed Energy Deposition: Phương pháp kết hợp cánh tay Robot, phun kim loại và nguồn laser.

  • LENS: Laser engineered net shape.
  • EBAM: Electron beam additive manufacture.

Các loại vật liệu in 3D

Hiện nay có rất nhiều loại vật liệu có thể dùng để sản xuất vật liệu, chúng ta có thể điểm qua 1 số vật liệu như:

  • Plastics (Nilon)
  • Metal (Kim loại)
  • Precious metal (Kim loại quý): Gold, Silver, Titanium
  • Ceramic (Gốm)
  • Acrylonitrile Butadiene Styrene (nhựa ABS)
  • Polylactic Acid (nhựa PLA)
  • Resin (Nhựa – có nguồn gốc tự nhiên)
  • Sandstone(Sa thạch)
  • Paper (Giấy)
  • Wax (Sáp)
  • Stainless Steel (Thép không gỉ)
  • Nikel (Ni-ken)
  • Copper and Bronze (Đồng và đồng thiếc)
  • Cobalt Chromium
  • Wood (Gỗ)

Chi tiết các loại vật liệu về tính năng, ưu nhược điểm, sử dụng cho phương pháp nào, các bạn có thể theo dõi thêm tại mục [16].

Tuy nhiên giá thành của nhiều loại vật liệu trên là khá đắt, phổ biến nhất và giá cả hợp lí hiện tại vẫn là nhựa ABS và nhựa PLA. Người ta sản xuất các loại nhựa theo đường kính tiêu chuẩn là 1.75 mm và 3mm (đường kính sợi nhựa).

Tham khảo

[1] What is 3D Printing?, 3dhubs.com, URL: https://www.3dhubs.com/what-is-3d-printing

[2] World Internet Users and 2017 Population Stats, internetworldstats.comURL: http://www.internetworldstats.com/stats.htm

[3] Máy in phun, vi.wikipedia.org, URL: https://vi.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1y_in_phun

[4] Chuck_Hull, en.wikipedia.org, URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Chuck_Hull

[5] 3D_scanner, en.wikipedia.orgURL: https://en.wikipedia.org/wiki/3D_scanner

[6] G-code, en.wikipedia.org, URL: https://en.wikipedia.org/wiki/G-code

[7] FDM Technology, stratasys.com, URL: http://www.stratasys.com/3d-printers/technologies/fdm-technology

[8] Leading Edge printing Ebook, vivek srinivasan and jarrod bassan, CSC Leading Edge Forum

[9] Infographic: All the ways 3D printing is changing the world, Jeff Desjardins, URL: http://www.businessinsider.com/infographic-3d-printing-2017-9

[10] What is CNC Machining? An overview of the CNC machine, astromachineworks.com, URL: http://astromachineworks.com/what-is-cnc-machining/

[11] 3D Printing vs. CNC machining, Ben Redwood, URL: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/3d-printing-vs-cnc-machining

[12] Lean six-sigma, asq.orgURL: http://asq.org/learn-about-quality/six-sigma/overview/overview.html

[13] Ứng dụng công nghệ in 3D tại Việt Nam, Việt Linh – Đức Thắng, URL:  http://vtv.vn/cong-nghe/ung-dung-cong-nghe-in-3d-tai-viet-nam-20170528175432062.html

[14] Why Industrial 3D-Printing is the Key Driver for “Industry 4.0”, Güngör Kara, URL: https://www.linkedin.com/pulse/why-industrial-3d-printing-key-driver-industry-40-g%C3%BCng%C3%B6r-kara

[15] Additive Manufacturing Technologies: An Overview, Ben Redwood, URL: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/additive-manufacturing-technologies-overview

[16] Vật liệu in 3D, Max von Übel, URL: https://all3dp.com/1/3d-printing-materials- guide-3d-printer-material/

 

Nero Phạm

Author: Nero Phạm

Có niềm đam mê với công nghệ, kĩ thuật. Thích tìm tòi, khám phá. Thông qua việc viết bài, đó là cách đơn giản để chúng ta học hỏi. Chia sẻ kiến thức cho người khác, đó là niềm vui.

Facebook Comments
RESPONSIVE LEADERBOARD AD AREA
RESPONSIVE LEADERBOARD AD AREA

Copyright © 2019 MES LAB. Address: An Lac Building, 368B Quang Trung Street, Ha Dong District, Ha Noi, Vietnam
Hotline: 082.547.4020 | Email: meslab.org@gmail.com (Dr. Tuan A. Tran)

Lên đầu trang