In 3D là gì? Có mấy kiểu công nghệ in 3D

Đối với những người mới tìm hiểu hay là chỉ mới nghe đến in 3D thì hẳn còn đang bỡ ngỡ về cụm từ này. Tuy nhiên, công nghệ in 3D đã có từ khá lâu và đã du nhập vào Việt Nam từ năm 2013 và hiện nay đã khá phổ biến nhờ những ứng dụng vào thực tế.

1. Công nghệ in 3D

Công nghệ in3D được hiểu đơn giản là một quá trình sản xuất các chất liệu (nhựa, kim loại, mực in…) theo cách xếp từng lớp với nhau để tạo nên một vật thể 3 chiều bằng máy in 3D. Là 1 công nghệ tạo mẫu nhanh từ vật thể mô phỏng 3D.

2. Có mấy kiểu công nghệ in 3D

Về cơ bản thì công nghệ in 3D có 6 quy trình và tạo ra 11 loại công nghệ in 3D khác nhau.

2.1. Quy trình đùn vật liệu

Quá trình đùn vật liệu là cho các vật liệu được đùn qua vòi phun. Hầu hết các vật liệu đó là một sợi nhựa được đẩy qua một vòi phun được làm nóng, làm tan chảy nó. Nó hoạt động trên một nền tảng xây dựng dọc theo một đường dẫn định trước, dây tóc sau đó nguội đi và đông đặc lại để tạo thành một vật thể rắn. Ngoài ra, cũng có thể đùn hồ kim loại, biogel, bê tông, sô cô la và nhiều loại vật liệu khác, nhưng nhựa là phổ biến nhất.

• Các loại công nghệ in 3D: Mô hình hóa lắng đọng hợp nhất (FDM), hay còn được gọi là chế tạo dây tóc hợp nhất (FFF)
• Vật liệu: Sợi nhựa (PLA, ABS, PET, PETG, TPU, Nylon, ASA, PC, HIPS, sợi carbon) và vật liệu khác
• Độ chính xác kích thước: ± 0,5% (giới hạn dưới ± 0,5 mm)
• Các ứng dụng phổ biến: tạo mẫu nhanh trong điêu khắc tượng đúc đồng, mô hình, làm phôi mẫu đổ khuôn…
• Điểm mạnh: Phương pháp in 3D chi phí thấp nhất, nhiều loại vật liệu

Loại công nghệ: FDM #Hình-1.1

Thiết bị đùn vật liệu là loại công nghệ in 3D thông dụng nhất và đang có giá thành rẻ nhất.

Cách thức hoạt động là sợi nhựa được đưa qua vòi máy in trong đầu đùn. Đầu phun của máy in được làm nóng đến nhiệt độ mong muốn (thường là 190 – 230^oC tùy từng loại nhựa), sau đó một động cơ đẩy sợi nhựa qua đầu phun được làm nóng, làm cho nó nóng chảy.

Sau đó, máy in di chuyển đầu đùn cùng với các tọa độ xác định, đặt vật liệu nóng chảy xuống bàn máy nguội đi và đông đặc lại.

Sau khi một lớp hoàn tất, máy in sẽ tiến hành xếp lớp khác xuống. Quá trình in các mặt cắt ngang này được lặp lại, xây dựng từng lớp cho đến khi vật thể được hình thành hoàn chỉnh.

Tùy thuộc vào hình dạng của đối tượng, đôi khi cần thêm các cấu trúc hỗ trợ.

2.2. Quy trình VAT POLYMERIZATION

Vat Polymerization là một quá trình in 3D trong đó nguồn sáng xử lý một cách chọn lọc nhựa photopolymer trong thùng. Hai hình thức phổ biến nhất của Vat Polymerization là SLA (Stereolithography) và DLP (Digital Light Processing).

Sự khác biệt cơ bản giữa các loại công nghệ in 3D này là nguồn sáng mà chúng sử dụng để xử lý nhựa. Máy in SLA sử dụng tia laser điểm, trái ngược với phương pháp voxel được sử dụng bởi máy in DLP.

• Các loại công nghệ in 3D: Chụp ảnh lập thể (SLA), Chụp ảnh lập thể có mặt nạ (MSLA) Xử lý ánh sáng trực tiếp (DLP)
• Vật liệu: Nhựa photopolymer (Tiêu chuẩn, Có thể đúc, Trong suốt, Nhiệt độ cao)
• Độ chính xác kích thước: ± 0,5% (giới hạn dưới ± 0,15 mm)
• Các ứng dụng phổ biến: Các nguyên mẫu polymer giống như khuôn ép phun; Trang sức; Ứng dụng nha khoa; Trợ thính
• Điểm mạnh: Bề mặt hoàn thiện mịn; Chi tiết tính năng tốt
• Điểm yếu: Giòn, không thích hợp cho các bộ phận cơ khí

Loại công nghệ: SLA, DLP, MSLA

SLA (in nổi)

Máy in SLA sử dụng gương, điện kế hoặc galvos, một gương được đặt trên trục X và một chiếc khác đặt trên trục Y. Các galvos này hướng một chùm tia laze xuyên qua một thùng nhựa, đóng rắn một cách có chọn lọc một mặt cắt ngang của vật thể bên trong khu vực này, tạo lên từng lớp.

Hầu hết các máy in SLA sử dụng tia laser thể rắn để tạo thành vật thể. Nhược điểm của các loại công nghệ in 3D sử dụng tia laser điểm là có thể mất nhiều thời gian hơn để theo dõi mặt cắt ngang của vật thể khi so sánh với DLP.

DLP (xử lý ánh sáng kỹ thuật số):

Nhìn vào máy xử lý ánh sáng kỹ thuật số, các loại công nghệ in 3D này gần giống như SLA. Sự khác biệt chính là DLP sử dụng máy chiếu ánh sáng kỹ thuật số để nháy một hình ảnh duy nhất của mỗi lớp cùng một lúc (hoặc nhiều nháy cho các phần lớn hơn).

Bởi vì máy chiếu là màn hình kỹ thuật số, hình ảnh của mỗi lớp bao gồm các pixel vuông, dẫn đến một lớp được hình thành từ các khối hình chữ nhật nhỏ gọi là voxels.

DLP có thể đạt được thời gian in nhanh hơn so với SLA. Đó là bởi vì toàn bộ lớp được phơi sáng cùng một lúc, thay vì theo dõi khu vực mặt cắt bằng điểm của tia laser.

Ánh sáng được chiếu vào nhựa thông bằng màn hình đi-ốt phát sáng (LED) hoặc nguồn sáng UV (đèn) được thiết bị Micromirror Kỹ thuật số (DMD) hướng đến bề mặt xây dựng.

DMD là một loạt các gương siêu nhỏ kiểm soát nơi ánh sáng chiếu vào và tạo ra dạng ánh sáng trên bề mặt xây dựng.

MSLA (chụp ảnh lập thể có mặt nạ)

Masked Stereolithography sử dụng một mảng LED làm nguồn sáng của nó, chiếu tia UV qua màn hình LCD hiển thị một lát lớp duy nhất làm mặt nạ – do đó có tên như vậy.

Giống như DLP, màn hình LCD photomask được hiển thị bằng kỹ thuật số và bao gồm các pixel vuông. Kích thước pixel của bình quang LCD xác định độ chi tiết của bản in. Do đó, độ chính xác XY là cố định và không phụ thuộc vào mức độ bạn có thể phóng to/thu nhỏ ống kính, như trường hợp của DLP. Một điểm khác biệt giữa máy in dựa trên DLP và công nghệ MSLA là công nghệ thứ hai sử dụng một loạt hàng trăm bộ phát riêng lẻ, thay vì một nguồn sáng phát ra đơn lẻ như diode laser hoặc bóng đèn DLP.

Tương tự như DLP, MSLA có thể, trong những điều kiện nhất định, đạt được thời gian in nhanh hơn so với SLA. Đó là bởi vì toàn bộ lớp được phơi sáng cùng một lúc, thay vì theo dõi khu vực mặt cắt bằng điểm của tia laser.

Do chi phí thấp của các đơn vị LCD, MSLA đã trở thành công nghệ đi đầu cho phân khúc máy in nhựa thông để bàn giá rẻ.

2.3. Quy trình: Thêu kết laser CO₂, thêu kết bột nhựa

Powder Bed Fusion là một quá trình in 3D trong đó một nguồn năng lượng nhiệt sẽ tạo ra sự hợp nhất có chọn lọc giữa các hạt bột bên trong một khu vực xây dựng để tạo ra một vật thể rắn.

Nhiều thiết bị Powder Bed Fusion cũng sử dụng cơ chế bôi và làm mịn bột đồng thời lên một vật thể đang được chế tạo, để vật phẩm cuối cùng được bao bọc và hỗ trợ bằng bột chưa sử dụng.

• Các loại công nghệ in 3D: thiêu kết bằng laser chọn lọc (SLS)
• Vật liệu: Bột nhựa nhiệt dẻo (Nylon 6, Nylon 11, Nylon 12)
• Độ chính xác kích thước: ± 0,3% (giới hạn dưới ± 0,3 mm)
• Ứng dụng chung: Các bộ phận chức năng; Ống dẫn phức tạp (thiết kế rỗng); Sản xuất bộ phận chạy thấp
• Điểm mạnh: Các bộ phận chức năng, cơ tính tuyệt vời; Hình học phức tạp
• Điểm yếu: Thời gian dẫn lâu hơn; Chi phí cao hơn FFF cho các ứng dụng chức năng

Loại công nghệ: SLS

SLS (Chọn lọc Laser Sintering):

Tạo vật thể bằng công nghệ Powder Bed Fusion và bột polyme thường được gọi là Sintering Laser chọn lọc (SLS). Các loại công nghệ in 3D này ngày càng trở nên phổ biến và chi phí thấp hơn.

Đầu tiên, một thùng bột polyme được nung nóng đến nhiệt độ ngay dưới nhiệt độ nóng chảy của polyme. Tiếp theo, một lưỡi quét lớp sơn lại hoặc cần gạt sẽ lắng một lớp rất mỏng của vật liệu dạng bột – thường dày 0,1 mm – lên nền xây dựng.

Sau đó, một chùm tia laser CO2 bắt đầu quét bề mặt. Tia laser sẽ thiêu kết bột một cách có chọn lọc và làm rắn chắc một phần mặt cắt của vật thể. Cũng giống như SLA, tia laser được tập trung vào vị trí chính xác bởi một cặp galvos.

Khi toàn bộ mặt cắt ngang được quét, nền xây dựng sẽ di chuyển xuống một độ dày của lớp theo chiều cao. Lưỡi dao tái tạo lắng đọng một lớp bột mới trên đầu lớp được quét gần đây, và tia laser sẽ thiêu kết mặt cắt tiếp theo của vật thể lên mặt cắt đã đông đặc trước đó.

Các bước này được lặp lại cho đến khi tất cả các đối tượng được sản xuất hoàn toàn. Bột chưa được thiêu kết vẫn giữ nguyên vị trí để hỗ trợ vật thể có, điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của các cấu trúc hỗ trợ.

2.4. Quy trình: phun vật liệu

Phun vật liệu là một quá trình in 3D trong đó các giọt vật liệu được lắng đọng một cách có chọn lọc và đóng rắn trên một tấm xây dựng. Sử dụng photopolyme hoặc các giọt sáp để đóng rắn khi tiếp xúc với ánh sáng, các vật thể được tạo thành từng lớp một.

Bản chất của quá trình Phun vật liệu cho phép in các vật liệu khác nhau trong cùng một đối tượng. Một ứng dụng cho kỹ thuật này là chế tạo các cấu trúc hỗ trợ từ vật liệu khác với mô hình đang được sản xuất.

• Các loại công nghệ in 3D: Phun vật liệu (MJ), thả theo yêu cầu (DOD)

•  Vật liệu: Nhựa photopolymer (Tiêu chuẩn, Có thể đúc, Trong suốt, Nhiệt độ cao)
• Độ chính xác kích thước: ± 0,1 mm
• Ứng dụng phổ biến: Nguyên mẫu sản phẩm đầy đủ màu sắc; Các nguyên mẫu giống khuôn ép; Khuôn ép chạy thấp; Mô hình y tế
• Điểm mạnh: Hoàn thiện bề mặt tốt nhất; Có đầy đủ màu sắc và nhiều chất liệu
• Điểm yếu: Giòn, không phù hợp với các bộ phận cơ khí; Chi phí cao hơn SLA / DLP cho các mục đích trực quan

Loại công nghệ: MJ (phun vật liệu), DOD

Material Jetting (MJ):

Hoạt động theo cách tương tự như một máy in phun tiêu chuẩn. Điểm khác biệt chính là thay vì in một lớp mực thì MJ được xây dựng nhiều lớp lên nhau để tạo nên một bộ phận.

Đầu in phun ra hàng trăm giọt photopolymer nhỏ và sau đó xử lý, đông đặc chúng bằng cách sử dụng tia cực tím (UV). Sau khi một lớp đã được lắng đọng và đóng rắn, nền xây dựng sẽ được hạ xuống một độ dày của lớp và quá trình này được lặp lại để tạo nên một vật thể 3D.

MJ khác với các loại công nghệ in 3D khác là lắng đọng, thiêu kết hoặc xử lý vật liệu xây dựng bằng cách sử dụng chất lắng đọng theo điểm. Máy MJ lắng đọng vật liệu xây dựng một cách nhanh chóng, theo đường thẳng.

Lợi thế của việc lắng đọng theo dòng là máy in MJ có thể chế tạo nhiều đối tượng trong một đường duy nhất mà không ảnh hưởng đến tốc độ xây dựng. Miễn là các mô hình được bố trí chính xác và không gian bên trong mỗi dây chuyền xây dựng được tối ưu hóa, MJ có thể sản xuất các bộ phận với tốc độ nhanh hơn các loại máy in 3D khác.

Phần support của các mẫu in tạo ra bằng MJ, được in đồng thời trong quá trình xây dựng từ một vật liệu có thể phân hủy được loại bỏ trong giai đoạn xử lý hậu kỳ. MJ là một trong những loại công nghệ in 3D duy nhất cung cấp các vật thể được làm từ in nhiều chất liệu và đủ màu.

Thả theo yêu cầu (DOD):

là một loại công nghệ in 3D sử dụng một cặp ống mực. Người ta lắng đọng các vật liệu xây dựng, thường là vật liệu giống như sáp. Thứ hai được sử dụng cho vật liệu hỗ trợ có thể phân hủy. Giống như các loại công nghệ in 3D điển hình, máy in DOD đi theo một đường dẫn định trước đến vật liệu phản lực theo một điểm lắng đọng theo từng điểm, tạo ra diện tích mặt cắt ngang của từng lớp vật thể.

Máy in DOD cũng sử dụng máy cắt bay để lướt qua khu vực xây dựng sau khi mỗi lớp được tạo ra, đảm bảo bề mặt hoàn toàn phẳng trước khi bắt đầu lớp tiếp theo. Máy in DOD thường được sử dụng để tạo các mẫu thích hợp cho đúc sáp hoặc đúc đầu tư, và các ứng dụng tạo khuôn khác.

2.5. Quy trình phun chất kết

Binder Jetting là một quá trình in 3D trong đó chất liên kết lỏng liên kết một cách chọn lọc các vùng của lớp bột.

Binder Jetting là một công nghệ in 3D tương tự như SLS, với yêu cầu về một lớp bột ban đầu trên nền tảng xây dựng. Nhưng không giống như SLS, sử dụng tia laser để nung kết bột, Binder Jetting di chuyển đầu in trên bề mặt bột làm lắng đọng các giọt chất kết dính, có đường kính thường là 80 micron. Những giọt này liên kết các hạt bột lại với nhau để tạo ra từng lớp của vật thể.

Khi một lớp đã được in, lớp bột được hạ xuống và một lớp bột mới được trải lên trên lớp vừa in. Quá trình này được lặp lại cho đến khi hình thành một đối tượng hoàn chỉnh.

Đối tượng sau đó được phủ trong bột để cung cấp cho bộ phận sự hỗ trợ cấu trúc trong khi chúng hồi lại. Sau đó, vật thể được lấy ra khỏi lớp bột và bất kỳ bột nào chưa kết dính được loại bỏ bằng khí nén.

• Các loại công nghệ in 3D: Phun chất kết dính (BJ)
• Vật liệu: Cát hoặc bột kim loại: Không gỉ / Đồng, Cát đủ màu, Silicia (đúc cát)
• Độ chính xác kích thước: ± 0,2 mm (kim loại) hoặc ± 0,3 mm (cát)
• Ứng dụng phổ biến: Các bộ phận kim loại chức năng; Đủ màu sắc mô hình; Đúc cát
• Điểm mạnh: Chi phí thấp; Khối lượng xây dựng lớn; Các bộ phận kim loại chức năng
• Điểm yếu: Tính chất cơ học không tốt bằng phản ứng tổng hợp bột kim loại

Loại công nghệ: phun cát kết

Với thiết bị Phun chất kết dính cát, đây là những loại công nghệ in 3D chi phí thấp để sản xuất các bộ phận từ cát, ví dụ như đá sa thạch hoặc thạch cao.

Đối với các mô hình đủ màu, các vật thể được chế tạo bằng bột trét hoặc bột PMMA kết hợp với chất liên kết lỏng. Đầu in đầu tiên phản lực tác nhân đóng gáy, trong khi đầu in thứ cấp phun màu, cho phép in các mô hình đủ màu.

Khi các bộ phận đã đóng rắn hoàn toàn, chúng được lấy ra khỏi lớp bột rời và làm sạch. Để tăng cường các đặc tính cơ học, các bộ phận thường tiếp xúc với một vật liệu xâm nhập.

Có một số lượng lớn các chất xâm nhập có sẵn, mỗi chất dẫn đến các thuộc tính khác nhau. Lớp phủ cũng có thể được thêm vào để cải thiện độ sống động của màu sắc.

Phun chất kết dính kim loại:

Binder Jetting cũng có thể được sử dụng để chế tạo các đồ vật bằng kim loại. Bột kim loại được liên kết bằng cách sử dụng chất liên kết polyme. Sản xuất các vật kim loại bằng cách sử dụng Binder Jetting cho phép sản xuất các hình học phức tạp vượt xa khả năng của các kỹ thuật sản xuất thông thường.

Tuy nhiên, các vật thể kim loại chức năng chỉ có thể được sản xuất thông qua một quá trình thứ cấp như thấm hoặc thiêu kết. Chi phí và chất lượng của kết quả thường xác định phương pháp thứ cấp nào là thích hợp nhất cho một ứng dụng riêng lẻ. Nếu không có các bước bổ sung này, một bộ phận được làm bằng Kim loại Binder Jetting sẽ có tính chất cơ học kém.

2.6. Quy trình: POWDER BED FUSION (KIM LOẠI)

Metal Powder Bed Fusion là quy trình in 3D tạo ra các vật thể rắn, sử dụng nguồn nhiệt để tạo ra sự hợp nhất giữa các hạt bột kim loại từng lớp một.

Hầu hết các công nghệ của Powder Bed Fusion đều sử dụng các cơ chế để thêm bột khi vật thể đang được xây dựng, dẫn đến thành phần cuối cùng được bao bọc trong bột kim loại. Các biến thể chính trong công nghệ Powder Bed Fusion bằng kim loại đến từ việc sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau; laze hoặc chùm điện tử.

• Các loại công nghệ in 3D: thiêu kết laser kim loại trực tiếp (DMLS); Laser nóng chảy chọn lọc (SLM); Chùm tia điện tử nóng chảy (EBM)
• Vật liệu: Bột kim loại: Nhôm, Thép không gỉ, Titan
• Độ chính xác kích thước: ± 0,1 mm
• Ứng dụng phổ biến: Các bộ phận kim loại chức năng (hàng không vũ trụ và ô tô); Thuộc về y học; Nha khoa
• Điểm mạnh: Mạnh nhất, các bộ phận chức năng; Hình học phức tạp
• Điểm yếu: Kích thước bản dựng nhỏ; Mức giá cao nhất trong tất cả các công nghệ

Loại công nghệ: Đốt nóng bằng laser kim loại trực tiếp (DMLS) / Đun chảy bằng laser có chọn lọc (SLM):