A good summary of 3D printing. I'll translate it into Vietnamese once have time. Stay tuned!
Read English version
here.
----------
(Translated by Ho Hoan Nghia)
In 3D có nghĩa là thêm một chiều nữa vào công nghệ in truyền thống, và chúng có tiềm năng thay đổi hoàn toàn lĩnh vực sản xuất. Chúng tôi sẽ trình bày công nghệ in 3D là gì, chúng có thể làm được gì, và bạn có thể tham gia gì vào công nghệ mới đầy hấp dẫn này.
Máy in 3D: chúng không phải là máy in dạng đĩa của thế hệ cha ông chúng ta, mà cũng không là máy in kim dùng ở thế hệ cha mẹ chúng ta. Thực ra chúng có rất ít điểm chung so với các loại máy in văn bản hay hình ảnh ngày nay, là những loại máy mà chỉ có thể in được trên mặt phẳng hai chiều. Chúng có thể in ra các vật thể thật từ các thiết kế CAD hoặc các file quét 3D bằng nhiều loại vật liệu khác nhau. Chúng ngày càng trở nên phổ biến. Bạn có thể thấy công nghệ in 3D giới thiệu trong chương trình
Colbert Report hoặc các chương trình khác, và chúng chiếm một khoảng trưng bày rất lớn ở Maker Faire. Tuy hiện nay chỉ xuất hiện trong các công xưởng hoặc các phòng thiết kế, và sở hữu bởi những người làm mô hình, dần dần chúng sẽ nhanh chóng xuất hiện trong nhà của bạn, trên bàn làm việc, trong phòng giải trí và ngay cả trong nhà bếp.
In 3D là gì?
In 3D là quá trình sản xuất trong đó vật liệu (nhựa, kim loại, hoặc vật liệu khác) được đặt lên nhau theo từng lớp để tạo thành vật thể ba chiều. (Quá trình này được xem là quá trình
bồi đấp bởi vì vật thể được tạo thành từ không có gì, trái với quá trình
cắt gọt trong đó vật liệu được cắt, khoan, hoặc gia công cắt bỏ.) Các máy in 3D sử dụng nhiều kỹ thuật và loại vật liệu khác nhau, nhưng chúng có cùng khả năng là chuyển từ file số chứa dữ liệu 3 chiều - hoặc tạo từ các phần mềm CAD hoặc từ máy scan 3D - thành vật thể thật.
Liệu in 3D có thực sự là in?
Phải - mặc dù nó không phải theo định nghĩa in truyền thống. Định nghĩa của từ điển Webster có liên quan đến in tập trung quanh việc sản suất các sản phẩm in, như ấn phẩm hoặc hình ảnh; và sản xuất nhờ phương tiện ấn dập - sử dụng áp lực. Định nghĩa thứ nhất không phù hợp - trừ phi định nghĩa đó được mở rộng để bao hàm việc gia công vật thể 3 chiều; được tạo thành từ không có gì thay vì được in ra - và hầu hết kỹ thuật in 3D không liên quan gì đến ấn dập.
Mặc dù vậy, theo phương diện công nghệ, in 3D là sự kế tục của in truyền thống, trong đó một lớp vật liệu được đấp lên. Thông thường nó quá mỏng đến nỗi chiều dày là không đáng kể (mặc dù với các máy in rắn, nó cũng hơi dày). Cái mà in 3D làm là làm cho chiều dày in cao ra thêm rất nhiều bằng cách tạo ra nhiều lớp, vì vậy sẽ rất hợp lý nếu mở rộng định nghĩa in để bao hàm cả việc sản xuất các vật thể 3D theo cách này.
In 3D hoạt động như thế nào?
In 3D có nhiều công nghệ khác nhau.
Thêu kết laser chọn lọc - Selective Laser Sintering (SLS) sử dụng laser công suất cao để kết dính nhựa, kim loại, gốm, hoặc thủy tinh. Khi thực hiện xong, vật liệu còn dư được tái sử dụng. Trong công nghệ
Đùn Kết Dính - Fused Deposition Modeling (FDM), nhựa ABS hoặc một số loại nhựa nhiệt dẻo khác được nung nóng chảy và xếp lên nhau thông qua một đầu đùn được nung nóng. Máy in 3D đầu tiên được xuất ra thị trường, sản xuất vào giữa thập niên 90 bởi Stratasys có sự giúp đỡ từ IBM, sử dụng công nghệ FDM, cũng giống như các máy in 3D cá nhân khác từ các nhà sản xuất MakerBot và RepRap.
Công nghệ
Đa Đầu Phun - Multi-Jet Modeling là hệ thống in 3D giống như các máy in phun trong đó chúng phun chất kết dính có màu và giống keo lên từng lớp bột để tạo ra vật thể. Đây là một trong các phương pháp nhanh nhất, và là một trong số ít các phương pháp cho phép in màu.
Có thể sửa đổi một máy in phun tiêu chuẩn để sử dụng với các chất liệu khác ngoài mực in. Các nhà sản xuất cho người tự làm (do-it-yourself) đã chế hoặc chỉnh sửa các đầu in, chủ yếu là các đầu áp điện, để hoạt động với nhiều vật liệu khác nhau - trong vài trường hợp còn in ra cả đầu in trên các máy in 3D khác. Các công ty như MicroFab (
www.microfab.com) có bán các đầu in có thể dùng cho máy in 3D (và có cả các hệ thống in hoàn chỉnh). Một công nghệ in 3D khác phơi polymer lỏng ra ánh sáng từ máy chiếu
xử lý ánh sáng số - digital light processing (DLP), làm đông cứng polymer theo từng lớp cho đến khi vật thể được tạo xong và polymer lỏng còn lại chảy xuống hết. Công nghệ
nung chảy nhờ chùm electron - Electron beam melting (EBM) như bạn có thể đoán được là dùng chùm electron để nung chảy bột kim loại từng lớp một. Titan thường được dùng với EBM để chế các cơ phận cấy ghép y tế và các chi tiết của máy bay.
Nhiều công nghệ sử dụng đầu phun hoặc các thiết bị khác để phun hoặc đùn vật liệu lỏng hoặc nóng chảy lên bệ đỡ tạo ra vật thể. Trong nhiều máy in 3D bệ đỡ là cố định trong khi đầu phun di chuyển, tuy nhiên nhiều khi là ngược lại. Vật thể được tạo ra theo đúng với các thiết kế trong bản vẽ CAD.
Tùy theo loại công nghệ, máy in 3D có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, không chỉ giới hạn với kim loại (thép không gỉ, chì, nhôm và titan); nhựa và polymer; gốm; thạch cao; thủy tinh; và cả vài loại thực phẩm như pho-mát, bánh kem và sô-cô-la.
Ai đã sáng chế ra in 3D?
Máy in 3D đầu tiên được tạo ra bởi Charles W. (Chuck) Hull vào giữa thập niên 80. Máy đó sử dụng công nghệ gọi là
stereolithography, trong đó tia laser UV được chiếu vào một bể chứa polymer cảm quang với tia cực tím., dò theo biên dạng của vật thể cần in. Polymer đông cứng lại khi gặp chùm tia đó, và như vậy nó "in" vật thể từng lớp một theo thông tin từ file CAD/CAM. Hull đã thành lập một công ty có tên là 3D Systems sản xuất các máy stereolithography. Stereography là một công nghệ rất đắt đỏ với giá thành có thể hơn $100,000. Ngày nay 3D Systems bán máy in 3D sử dụng nhiều công nghệ khác nhau và bao gồm từ các bộ kít cho người dùng mới cho tới các hệ thống phức tạp, cũng như cung cấp dịch vụ sản xuất chi tiết theo nhu cầu, hầu hết là cho người dùng doanh nghiệp.
Ích lợi của in 3D là gì?
In 3D cho phép các nhà thiết kế tạo ra mô hình sản phẩm từ bản thiết kế một cách nhanh chóng, và cho phép thay đổi thiết kế kịp thời. Nó cho phép các nhà sản xuất chế tạo ra sản phẩm theo nhu cầu thay vì chạy những mẻ số lượng lớn, do đó cải thiện việc quản lý tồn kho và giảm diện tích nhà kho. Người dùng ở xa có thể chế ra sản phẩm mà nếu không có in 3D thì không thể có được. In 3D có thể tiết kiệm tiền bạc và vật liệu so với phương pháp gia công cắt bỏ trong đó vật liệu được cắt, khoan bỏ, bởi vì rất ít vật liệu bị thải ra. Và nó hứa hẹn thay đổi cả bản chất của sản xuất để cuối cùng cho phép người dùng có thể tải các file về và in ra vật thể thật - ví dụ như gồm cả các thiết bị điện tử - ngay trong nhà của họ.
Máy in 3D có thể tạo ra những gì?
Người thiết kế dùng máy in 3D để tạo ra mô hình sản phẩm nhanh chóng từ các bản vẽ CAD, nhưng chúng ngày càng được dùng để tạo ra sản phẩm tiêu dùng cuối cùng. Trong số các sản phẩm được tạo ra từ máy in 3D có các thiết kế giầy dép, đồ gỗ, khuôn sáp để chế tạo nữ trang, công cụ, đế cắm, quà tặng, và các sản phẩm sáng tạo khác, và đồ chơi. Ngành công nghiệp xe hơi và hàng không sử dụng máy in 3D để chế tạo chi tiết. Các nghệ nhân có thể tạo ra các tác phẩm điêu khắc, và các kiến trúc sư có thể tạo ra mô hình cho các công trình của họ. Các nhà khảo cổ có thể quét 3D các mẫu vật dễ vỡ và in ra các bản sao của chúng. Tương tự vậy, các nhà cổ sinh vật học có thể nhân ra, ví dụ, một bộ xương khủng long để triển lãm.
Các bác sĩ có thể dùng in 3D để chế tạo các chi giả, thiết bị trợ thính, răng giả, và các miếng vá xương, cũng như tạo ra mô hình các cơ phận, khối u, và các cấu trúc nội tạng khác từ các hình quét CT khi hội chẩn tiền phẫu thuật. In 3D cũng đang được phát triển để xếp từng lớp tế bào tạo thành các cơ phận nhân tạo như thận (
http://www.ted.com/talks/anthony_atala_printing_a_human_kidney.html) và mạch máu (
http://www.bbc.co.uk/news/technology-14946808), vốn đã bước vào giai đoạn R&D. In 3D có thể dùng trong lĩnh vực pháp y, ví dụ như tái tạo một viên đạn cắm vào người nạn nhân (
http://www.youtube.com/watch?v=NKhpa5Nt6Ck).
In thiết bị điện tử là các công nghệ cho phép in các mạch điện tử lên các vật liệu dẻo như nhãn hàng, vải, giấy các-tông, bằng cách dùng các loại mực in dẫn điện hoặc dẫn quang. Chúng cho phép tạo ra nhiều thiết bị có tính năng thấp nhưng rẻ tiền. In thiết bị điện tử đang được kết hợp với in 3D cho phép in các mạch có nhiều lớp. Sự phát triển tự nhiên của kết hợp đầy tiềm năng này là một ngày nào đó bạn có thể in ra các thế hệ tương lai của các sản phẩm công nghệ từ các thiết kế 3D thay vì đi mua sản phẩm đó.
Một vài máy in 3D thậm chí có thể dùng trong chế biến thực phẩm, để phết các chất dạng lỏng hoặc sệt như pho-mát, kem, và sô-cô-la. Viện Dinh Dưỡng Pháp đã dùng máy in nguồn mở của Fab@Home (www.fabathome.org) phát triển bởi trường Đại Học Cornell để chuẩn bị các món hảo hạng, và MIT đã tạo ra máy in thức ăn 3D có tên là Cornucopia.
Các máy in thức ăn 3D thậm chí có thể so với các máy tái tạo trong Star Trek, thấy trong các sảnh ăn uống trên các phi thuyền trong suốt dảy ngân hà: các máy in thức ăn giả tưởng này có thể chế tạo bất cứ món gì theo yêu cầu. Nếu một ngày nào đó máy in 3D cho phép các bác sĩ in một quả tim hay một quả thận với đầy đủ cấu trúc nội tạng, thì việc in một lát bít-tết hoặc các món khác là chuyện quá đơn giản - tuy nhiên có thể là không kinh tế lắm. Bất cứ giá nào thì chúng ta đều có thể thấy nhiều loại thức ăn hơn tạo ra từ máy in 3D trong bất kỳ khúc nào trong chuỗi cung ứng thực phẩm: nhà sản xuất thực phẩm, nhà hàng và nhà bếp.
Dịch vụ in 3D là gì?
Bạn không cần phải sở hữu một máy in 3D để có thể hưởng lợi từ nó. Nhiều dịch vụ in 3D như Shapeways (http://www.shapeways.com) và Sculpteo (http://www.sculpteo.com/en/) nhận in quà tặng và nhiều vật nhỏ khác theo yêu cầu trên máy in của họ, sau đó sẽ gửi chúng đến khách hàng. Khách hàng có thể gửi file CAD của chính họ hoặc chọn mẫu trên catalog của họ - hầu hết đều là thiết kế từ những người sử dụng dịch vụ đó.
Tôi có thể mua một máy in 3D?
Hãng HP, hợp tác với hãng Stratasys, đã giới thiệu mẫu máy in 3D DesignJet bản đa màu và một màu, nhưng chúng chỉ được bán ở châu Âu và được định giá quá cao so với khả năng của hầu hết người dùng (khoảng $17,500). Tuy nhiên may mắn thay, một vài năm vừa rồi đã chứng kiến sự phát triển của nhiều loại máy in tương đối rẻ. Chúng phần lớn xuất phát từ phong trào của những nhà chế tạo nghiệp dư, vốn cổ súy cho phong trào tự làm DIY và các dự án cây nhà lá vườn.
RepRap (http://reprap.org/wiki/Main_Page) là máy in 3D có nguồn mở có thể in các vật bằng nhựa - chúng thậm chí có khả năng tái tạo lại chính nó bằng cách in ra hầu hết các chi tiết (dĩ nhiên là có sự điều khiển của con người). Các công ty như Buildatron (http://buildatron.com) cung cấp biến thể RepRap của họ dưới dạng Kit hoặc được lắp ráp hoàn chỉnh. Một biến thể khác của RepRap mà MakerBot Industries (www.makerbot.com) bán máy in 3D Thing-O-Matic dưới dạng Kit với giá $1299 và bản lắp hoàn chỉnh với giá $2,500. Một công ty mới thành lập của Hà Lan là Ultimaker Ltd (http://shop.ultimaker.com/en), đã ra mắt máy in Ultimaker cũng dưới dạng Kit (khoảng $1,700) khẳng định là nhanh hơn nhiều so với MakerBot và có thể in vật thể có kích thước lớn hơn do chúng sử dụng đầu in di động và bệ đỡ cố định thay vì ngược lại như MakerBot. Máy in 3D Up! (http://pp3dp.com) đã được lắp sẵn (cần khoảng 15 phút setup), và có giá dưới $3,000. Cùng với một loạt máy cao cấp khác, nhà sản xuất tiên phong trong lĩnh vực in 3D là 3D Systems có cung cấp cả máy in cá nhân như Botmill Glider (http://botmill.com/index.php/glider.html) ($1,395).
Tôi cần phần mềm nào để tạo các file dùng cho in 3D?
Hầu như tất cả máy in 3D đều chấp nhận file có định dạng STL (là viết tắt của stereography; là định dạng tạo ra bởi Jack Hull, người sáng chế ra in 3D). Định dạng này có thể được xuất ra bởi hầu hết các phần mềm CAD, từ các hệ thống cao cấp đắt tiền như AutoCAD cho đến các sản phẩm miễn phí nguồn mở như Google Sketchup và Blender. Nhiều nhà sản xuất máy in cũng kèm theo phần mềm riêng của họ, để tối ưu hóa thiết kế cho in 3D với các máy in mà họ bán.
Tương lai nào cho in 3D?
Trong vòng một thập niên, máy in 3D sẽ trở thành một vật dụng trong nhà - chúng sẽ xuất hiện trên bàn làm việc, trong studio, ở văn phòng, và cả trong nhà bếp. Cũng không hẳn là chúng sẽ xuất hiện trong mọi nhà, nhưng chúng trở thành thứ không thể thiếu được cho những ai đã từng sở hữu chúng. Các vật được in ra từ máy in 3D có cấu tạo bên trong đồng nhất, nhưng rất có thể chúng ta sẽ thấy nhiều vật thể phức tạp hơn kết hợp từ nhiều loại vật liệu khác nhau, gồm cả các chi tiết điện tử. Với các máy in 3D ngày nay, bạn có thể in lại nấp đậy pin của điều khiển TV nếu như bạn lỡ đánh mất nó. Với các máy in tương lai, bạn có thể in lại cả bộ điều khiển nếu mất.
In 3D cũng sẽ tiến vào không gian. NASA đã thử nghiệm với máy in 3D, và Made In Space, một công ty mới thành lập để phát triển các giải pháp sản xuất trong không gian, đã thử nghiệm máy in 3D trên các chuyến bay không trọng lực. CEO của hãng Made In Space Aeron Kemmer đã mô tả các ứng dụng tiềm năng của in 3D trải dài từ chế tạo chi tiết theo nhu cầu cho các công việc của con người cho đến xây dựng các môi trường sống rộng lớn được tối ưu hóa cho không gian. Các phi hành gia không thể trông chờ vào Home Depot khi họ cần thay đổi một cái van hay một thiết bị nào đó, nhưng một máy in 3D có thể chế ra chúng khi cần.
Tương tự vậy, chúng ta sẽ thấy máy in 3D xuất hiện trong các căn cứ ở các vùng cực và các nơi xa xôi khác, những nơi mà người ta không thể đợi 6 tháng cho việc tiếp tế những vật dụng hay thiết bị cần thiết.
Các ứng dụng y tế của in 3D không dừng lại ở các chi giả, thiết bị trợ thính và các bọc răng. ( Xem thêm phần "Máy in 3D có thể làm gì?" ở trên để biết thêm những gì đang được làm). Các chi tiết thay thế không nhất thiết phải hạn chế trong lĩnh vực cơ khí.
In 3D chỉ đang ở giai đoạn sơ khai, và chúng ta đang chứng kiến một sự bùng nổ về tính đa dạng và ứng dụng của các thiết bị này, chủ yếu được thúc đẩy nhờ các doanh nghiệp mới và những người có sở thích tự chế, và một vài công ty lớn như HP cũng đã bắt đầu tham gia. Nó cũng tương tự như máy tính cá nhân ở cuối thập niên 70. Mặc dù chúng ta tương đối dễ thấy vài lĩnh vực mà ngành công nghiệp in 3D non trẻ sẽ hướng vào, những cái khác thì nằm ngoài khả năng dự đoán của chúng ta, cũng như không ai vào những năm 1980 có thể tưởng tượng phần lớn những gì mà máy tính cá nhân có thể làm được. Tôi không nói là máy in 3D sẽ có tầm ảnh hưởng như PC, nhưng nó có khả năng làm cuộc cách mạng lĩnh vực sản xuất cũng như mang đến khả năng sản xuất cho người tiêu dùng. Một điều chắc chắn là in 3D sẽ vẫn tồn tại.
