Máy in 3D

21/03/2013 16:50

Máy in 3D (3D Printer) tạo ra vật thể thực bằng cách "in" tuần tự từng lớp mỏng, tuân thủ chính xác cấu trúc lát cắt từ mô hình vật thể được tạo bởi máy tính. Máy in 3D mở đầu "cuộc cách mạng số lần thứ hai".

Thử hình dung bạn dùng phần mềm 3D trên máy tính để tạo mô hình bình hoa có hình dáng độc đáo. Khi hài lòng với mô hình, bạn bấm nút trên màn hình, chiếc máy in 3D trông như lò vi sóng đặt trên bàn lập tức chạy "rù rù". Khi máy dừng, bạn mở cửa máy và thấy chiếc bình thủy tinh giống hệt mô hình do bạn thiết kế. Đó là một thể hiện của cuộc cách mạng công nghệ đang diễn ra.

Giả sử bạn đang đi dạo trong công viên với chiếc iPad trên tay và trông thấy một bức tượng. Bạn dùng iPad chụp hình bức tượng ở những vị trí khác nhau quanh bức tượng. Từ các hình chụp, mô hình ba chiều (3D) của bức tượng được tạo nên tự động trong iPad. Sau khi xem xét mô hình 3D trên iPad và dùng ngón tay chỉnh sửa mô hình nếu thấy cần thiết, bạn gửi mô hình đến địa chỉ dịch vụ in 3D trên mạng để có được bức tượng cỡ nhỏ bằng nhựa, đá, thủy tinh hoặc kim loại, dùng làm quà lưu niệm.

Đó là một trường hợp sử dụng của phần mềm 123 Catch trên iPad của Công ty Autodesk. Người dùng phần mềm 123 Catch thường gửi mô hình 3D của mình đến dịch vụ Shapeways, Sculpteo hoặc Ponoko. Dịch vụ in 3D trên mạng sử dụng máy in 3D (3D printer) của các công ty 3D Systems, Stratasys, Fortus, Dimension Printing, ZCorp, EOS,... có giá từ 16.000 USD. Loại máy in 3D đơn giản nhất như MakerBot Thing-O-Matic, Up!, Cube,... hiện có giá từ 1000 USD, hoàn toàn trong tầm tay của giới thiết kế 3D trong các lĩnh vực cơ khí, kiến trúc, nghệ thuật, y học,...

Hai máy in 3D (uPrint - Stratasys) dùng cho sinh viên Trường Kiến trúc, Đại học Columbia (Mỹ).

Cùng với phần mềm 123D Catch trên hệ điều hành iOS và Windows, Autodesk cung cấp miễn phí phần mềm 123 Design (123D)123 Sculpt. Phần mềm 123D tương tự những phần mềm 3D thông dụng nhưng có khả năng kết nối dễ dàng với máy in 3D hoặc dịch vụ in 3D. Khác với các phương thức tạo hình truyền thống trong phần mềm 3D, phần mềm 123 Sculpt cho phép người dùng nhào nặn "đất sét số" (digital clay) để tạo mô hình 3D. Thuật ngữ điêu khắc số (digital sculpture) ngày càng được ưa chuộng để diễn đạt việc sáng tác điêu khắc trên máy tính và tạo ra tác phẩm thực nhờ máy in 3D.

Máy in 3D (còn được gọi là fabricator hoặc gọn hơn, fabber) tạo ra vật thể thực bằng cách "in" tuần tự từng lớp mỏng (nhỏ hơn 1 mm), tuân thủ chính xác cấu trúc lát cắt từ mô hình vật thể được tạo bởi máy tính. "Mực in" qua đầu phun là nhựa nóng chảy hoặc bột đá, bột thủy tinh, bột kim loại. Nguyên liệu dạng bột có thể được kết dính bằng keo, có thể được nung kết bằng tia laser, tia điện tử hoặc tia hồng ngoại.

Mô hình kiến trúc được tạo nguyên khối từ máy in 3D (ZPrinter - ZCorp).

Nguyên lý hoạt động của máy in 3D do Charles Hull - người sáng lập Công ty 3D Systems (Mỹ) - đề xuất vào năm 1984. 3D Systems là công ty đầu tiên chế tạo và tiếp thị máy in 3D. Trong nhiều năm, máy in 3D đắt tiền chỉ được sử dụng bởi những công ty lớn, chủ yếu để tạo vật mẫu (prototype) phục vụ cho các công đoạn thiết kế, chế tạo máy.

Việc sử dụng máy in 3D để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh được khởi xướng tại học viện kỹ thuật MIT (Massachusetts Institute of Technology). Năm 2009, nghiên cứu sinh Peter Schmitt tại MIT đã tạo mô hình đồng hồ cổ trên máy tính (theo mẫu đồng hồ do ông nội anh lưu giữ) và chuyển mô hình qua máy in 3D. Sau khi lấy đồng hồ ra khỏi máy in 3D, Schmitt treo đồng hồ lên tường, kéo dây cót. Con lắc đồng hồ bắt đầu dao động!

Theo gương MIT, Công ty EOS (Đức) thử tạo mô hình vĩ cầm theo mẫu đàn Stradivarius danh tiếng. Nhờ máy in 3D, EOS tạo được thân đàn bằng nhựa. Sau khi được lắp dây và được cân chỉnh bởi các nghệ nhân, chiếc vĩ cầm bằng nhựa đạt chất lượng xấp xỉ chiếc Stradivarius bằng gỗ!

Trong hiện tại, khoảng 20% máy in 3D trong công nghiệp thực sự là máy chế tạo sản phẩm cuối cùng. Công ty Filton (Anh) - nơi từng chế tạo máy bay siêu thanh Concorde - dùng máy in 3D và bột titan để chế tạo nhiều chi tiết cho máy bay. Filton đang tích cực xây dựng máy in 3D cỡ lớn để "in" toàn bộ cánh máy bay dài 35 m. Theo tính toán của nhóm nghiên cứu tại Filton, cánh máy bay được tạo hoàn chỉnh trong máy in 3D có trọng lượng chỉ bằng 60% cánh máy bay được chế tạo theo phương pháp cũ. Đây là điều có ý nghĩa lớn trong ngành hàng không. Giảm bớt 1 kg trọng lượng máy bay giúp tiết kiệm 3000 USD/năm trong chi phí nhiên liệu. Giảm bớt nhiên liệu tiêu thụ cũng có nghĩa là giảm bớt khí thải gây hiệu ứng nhà kính.

Có nhiều yếu tố kích thích việc sử dụng máy in 3D để tạo sản phẩm hoàn chỉnh. Do sản phẩm được chế tạo theo lối tích lũy (additive manufacturing), máy in 3D dùng nguyên liệu rất hiệu quả, chỉ bằng 1/10 nguyên liệu tiêu tốn trong phương pháp sản xuất truyền thống theo lối giảm trừ (subtractive manufacturing): đúc, phay, tiện, mài. Sản phẩm được chế tạo bởi máy in 3D còn tiết kiệm nguyên liệu do được hình thành nguyên khối, không cần những "chi tiết thừa" dùng cho việc lắp ráp các bộ phận.

Cũng do được hình thành nguyên khối, sản phẩm của máy in 3D có thể có cấu trúc rất phức tạp mà phương pháp đúc khuôn truyền thống không thể đạt được. Các nhà chế tạo theo hướng phỏng sinh học nhìn thấy ở máy in 3D cơ hội duy nhất để tái tạo những cấu trúc hợp lý trong thế giới sinh học. Thật dễ hiểu vì sao máy in 3D nhanh chóng được ứng dụng trong y học để có được xương nhân tạo, mạch máu nhân tạo,... thích hợp cho từng cá nhân.

Theo tính toán của giới công nghiệp, xét về chi phí sản xuất trong hiện tại, chế tạo sản phẩm bằng máy in 3D có tính cạnh tranh cao hơn so với phương pháp đúc khuôn nếu tính trên 1000 đơn vị sản phẩm (khi sản xuất với số lượng lớn hơn, phương pháp đúc khuôn truyền thống có hiệu quả kinh tế cao hơn). Tuy nhiên, trong việc so sánh hiệu quả như vậy, có một yếu tố chưa được tính đến: với máy in 3D, việc chỉnh sửa sản phẩm được tiến hành rất nhanh. Mỗi sản phẩm của máy in 3D tuy xuất phát từ một mô hình nhưng có thể có thông số chi tiết khác biệt (kích cỡ, màu sắc,...) tùy theo yêu cầu của khách hàng.

Tính ưu việt của máy in 3D đang tạo ra tình thế tương tự công nghiệp máy tính của thập niên 1970. Vào thời ấy, máy tính - loại máy tính toán theo chương trình - là công cụ vô cùng hấp dẫn nhưng người bình thường ít có cơ hội tiếp cận. Cộng đồng những người đam mê kỹ thuật tìm cách lắp ráp "máy tính cá nhân" (personal computer) thô sơ bằng mọi phương tiện khả dĩ. Nỗ lực riêng lẻ của những người "nghiệp dư" góp phần tạo ra cuộc cách mạng máy tính cá nhân, thay đổi diện mạo xã hội. "Kịch bản" như vậy đang được lặp lại với trào lưu "máy in 3D cá nhân" (personal 3D printer).

Năm 2005, Tiến sĩ Adrian Bowyer tại Đại học Bath (Anh) khởi xướng dự án nguồn mở RepRap (Replicating Rapid Prototyper) nhằm chế tạo máy in 3D đơn giản, phục vụ nhu cầu cá nhân. Nhờ sự đóng góp sôi nổi của cộng đồng, hồ sơ thiết kế máy in RepRap ngày càng cụ thể, có những chỉ dẫn rõ ràng để mọi người tự lắp ráp máy in 3D bằng vật liệu dễ tìm. Nhanh chóng xuất hiện những nhà cung cấp bộ linh kiện cần thiết cho việc chế tạo máy in RepRap. Không dừng ở việc cung cấp linh kiện, Công ty MakerBot (thành lập năm 2009) tiếp thị máy in 3D hoàn chỉnh giá rẻ mang tên MakerBot Thing-O-Matic theo thiết kế của dự án RepRap. MakerBot Thing-O-Matic có thể dùng để chế tạo phần lớn bộ phận của chính nó. Chính thành công của MakerBot kích thích các nhà sản xuất khác tham gia thị trường máy in 3D cá nhân.

Máy in MakerBot Thing-O-Matic.

Máy in 3D cá nhân tạo điều kiện cho sự nở rộ những dịch vụ tạo hình 3D. Chuyên viên thiết kế đồ họa Yoni Binstock mở dịch vụ Etsy ạo búp bê 3D (giá 5 USD) để trang trí cho bánh cưới. Từ ảnh chân dung của khách hàng, Etsy tạo mô hình búp bê trên máy tính có diện mạo giống khách hàng và từ đó tạo búp bê thực sự bằng máy in 3D. Dịch vụ BumpyPhoto hực hiện ý tưởng gần giống Etsy: dùng ảnh chân dung của khách hàng để tạo ra "ảnh lồi". Ảnh lồi là bức ảnh có gắn một số chi tiết 3D (khuôn mặt hoặc toàn thân người trong ảnh).

"Ảnh lồi" tạo bởi máy in 3D (dịch vụ BumpyPhoto).

Chuyển động lớn chỉ mới bắt đầu. Trong tương lai, nguyên liệu trong công nghệ in 3D sẽ ngày càng đa dạng. Máy in 3D có thể dùng nguyên liệu là bê-tông đặc biệt để xây dựng nên toàn bộ ngôi nhà (3D concrete printing). Máy in 3D có thể dùng nguyên liệu là tế bào sống để chế tạo các cơ quan trong cơ thể người (bioprinting).

Các nhà tương lai học xem sự xuất hiện của máy in 3D là dấu hiệu của "cuộc cách mạng số lần thứ hai" (second digital revolution). Tạp chí The Economist nhận định: "Cũng như không ai thấy được hết tác động của máy hơi nước vào năm 1750 hoặc máy in vào năm 1450 hoặc transistor vào năm 1950, không ai có thể lường trước tác động lâu dài của máy in 3D".

NGỌC GIAO

Ý kiến bạn đọc (0)
Tên   Email

Lên đầu trang