In 3D, còn được gọi là sản xuất bồi đắp, có thể được in từng lớp thông qua các quy trình đặt trước và mô hình kỹ thuật số, sử dụng phun bột và các phương pháp khác, và cuối cùng thu được các sản phẩm ba chiều có độ chính xác cao. So với in phẳng thông thường, in 3D có thể cung cấp các mô hình ba chiều ba chiều; so với xử lý thông thường, in 3D có độ chính xác và tự động hóa cao hơn. Dựa trên những ưu điểm trên, nhờ đó công nghệ in 3D trong thời gian ngắn đã phát huy được khả năng sử dụng nhanh chóng. Tất nhiên, công nghệ này cũng phải đối mặt với nhiều thách thức cần vượt qua, chẳng hạn như vật liệu, thiết bị, tiêu chuẩn ngành. Triển vọng thị trường in 3D rất rộng, trong việc hiểu và sử dụng công nghệ in 3D, dựa trên nền tảng công nghệ in 3D và tích cực khám phá chiến lược đổi mới và tối ưu hóa công nghệ in 3D cũng đã trở thành một chủ đề nghiên cứu phổ biến.
Nguyên tắc cơ bản và đặc tính kỹ thuật của in 1.3D
In 3D, là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, kết hợp nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm công nghệ sản xuất nhiều lớp, cơ khí, công nghệ CNC, CAD, công nghệ laser, công nghệ kỹ thuật đảo ngược, khoa học vật liệu, v.v. Nó có thể trực tiếp , chuyển đổi nhanh chóng, tự động và chính xác thiết kế của mô hình điện tử thành nguyên mẫu có chức năng cố định hoặc trực tiếp sản xuất các bộ phận, từ đó cung cấp phương pháp chi phí thấp và hiệu quả để sản xuất nguyên mẫu của các bộ phận và xác minh ý tưởng thiết kế mới. Nguyên lý cơ bản của công nghệ in 3D là quá trình nghịch đảo của chụp cắt lớp. Chụp cắt lớp là thứ được "cắt" thành vô số lát xếp chồng lên nhau, in 3D là thông qua việc chồng chất lớp vật lý liên tục, từng lớp một để tăng vật liệu nhằm tạo ra công nghệ rắn ba chiều, vì vậy công nghệ sản xuất in 3D còn được gọi là "công nghệ sản xuất phụ gia".
So với công nghệ in và quy trình sản xuất truyền thống, đặc điểm của in 3D tập trung ở các khía cạnh sau: thứ nhất, hoàn thành in một lần, không cần cắt, mài nhiều lần, đơn giản hóa quy trình sản xuất sản phẩm, rút ngắn thời gian sản xuất. Chu kỳ sản xuất. Kỹ thuật viên cần lấy trước tọa độ ba chiều và đặc điểm cấu trúc của sản phẩm, sau đó sử dụng phần mềm cụ thể trên máy tính để tạo mô hình ba chiều và cuối cùng bằng máy in 3D điều khiển bằng máy tính để hoàn tất việc in và sản xuất sản phẩm , thực sự nhận ra "những gì bạn thấy là những gì bạn nhận được". Thứ hai, chi phí thấp hơn, đặc biệt là trong sản xuất hàng loạt, so với cách chế biến và sản xuất truyền thống có lợi thế đáng kể hơn về chi phí. Từ quan điểm của phương thức sản xuất, công nghệ in 3D chỉ cần lấy tọa độ ba chiều của sản phẩm và thiết kế mô hình ba chiều của sản phẩm là có thể, phần còn lại của công việc được thiết bị thực hiện tự động, chỉ có một người có thể hoàn thành, chi phí nhân công và thời gian thấp. Cuối cùng, mức độ chính xác của sản phẩm cao hơn, đặc biệt là trong sản xuất các bộ phận chính xác, độ chính xác của sản phẩm thu được bằng in 3D có thể đạt tới mức 0.01mm và hỗ trợ màu bit 32- in ấn.
Thiết bị, vật liệu và công nghệ là ba yếu tố cốt lõi của in 3D. Về thiết bị, nó chủ yếu bao gồm máy in 3D, máy quét 3D, máy khắc laser 3D, máy theo dõi laser, v.v.; Về chất liệu, các loại vật liệu thường được sử dụng bao gồm nhựa cảm quang, bột nhựa, bột xương, PLA, v.v.; về mặt công nghệ, nó bao gồm nhiều công nghệ chủ chốt, chẳng hạn như công nghệ 3DP, công nghệ đúc lắng đọng hợp nhất FDM (FDM) và công nghệ xử lý bằng ánh sáng laser SLA. Phương pháp vận hành, nguyên tắc cơ bản và ưu điểm ứng dụng của các công nghệ này khá khác nhau, như sau.
2. Công nghệ in 3DP
Công nghệ in ba chiều (3DP) là phương pháp in 3D được sử dụng phổ biến nhất ở giai đoạn này. Thiết bị được sử dụng là máy in phun tiêu chuẩn, có thể thích ứng với nhiều loại vật liệu in bột, chẳng hạn như bột gốm, bột nhựa và bột xương. Sau khi lập trình trước và tạo mô hình, một lớp bột được trải xuống dưới sự điều khiển của lệnh máy tính, sau đó đầu phun được di chuyển để phun keo qua đầu phun đến khu vực xác định, sao cho các vật liệu dạng bột được liên kết với nhau. Sau khi hoàn thành lớp in đầu tiên, bạn có thể lấy nguyên mẫu của sản phẩm, sau đó tiếp tục lặp lại các bước trên, sau nhiều lần rải bột, phun, dán và cuối cùng sẽ có được sản phẩm như ý. Nếu bạn cần in sản phẩm màu, bạn có thể chọn chất kết dính màu phù hợp.
SLA được làm từ nhựa cảm quang, một vật liệu lỏng dưới sự chiếu xạ của tia UV có bước sóng (x=325nm) và cường độ (w=30mw) nhất định có thể nhanh chóng trải qua phản ứng polyme hóa quang học, phân tử trọng lượng của vật liệu tăng lên đáng kể và vật liệu được chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Bể chứa chất lỏng trước tiên sẽ được đổ đầy nhựa cảm quang lỏng, laser helium-cadmium hoặc laser ion argon phát ra từ chùm tia UV trong máy tính dưới sự thao tác của phôi theo phân lớp dữ liệu cắt ngang trong quá trình quét bề mặt nhựa cảm quang lỏng từng dòng và từng điểm, điều này làm cho vùng quét của lớp nhựa tạo ra sự trùng hợp và xử lý từ sự hình thành một lớp mỏng của phôi. Sau khi một lớp được xử lý, bàn được di chuyển xuống độ dày một lớp và một lớp nhựa lỏng mới được phủ lên bề mặt nhựa đã được xử lý trước đó cho đến khi thu được mô hình rắn 3D.
Thiết bị được sử dụng trong quy trình SLS bao gồm tia laser, gương quét và con lăn cân bằng. Quy trình kỹ thuật như sau: trước hết, đặt một lớp vật liệu bột có độ dày phù hợp lên bàn làm việc, ưu tiên cho nhựa cảm quang, bột parafin, bột nhựa, nói chung không sử dụng bột gốm, bột kim loại. Sau đó cài đặt sẵn chương trình, đọc mô hình, theo hướng dẫn điều khiển của máy tính, tia laser sẽ phát ra chùm tia laser và thông qua gương quét chiếu xạ vật liệu bột trên bàn. Vì tia laser có năng lượng rất cao nên nó sẽ thiêu kết vật liệu bột, đầu tiên tạo thành đường viền bên ngoài của sản phẩm, sau đó tiếp tục rải bột, thiêu kết bột từ ngoài vào trong, sau nhiều lần rải bột, nhiều lần thiêu kết, sự hình thành cuối cùng của sản phẩm mong muốn. So với các phương pháp in 3D ở trên, quy trình công nghệ thiêu kết laser chọn lọc dựa trên SLS tương đối đơn giản và tốc độ sản xuất sản phẩm nhanh hơn. Tuy nhiên, công nghệ này cũng có những nhược điểm như chọn lọc vật liệu in, bột kim loại, bột gốm trong quá trình thiêu kết cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn dẫn đến giá thành tăng cao nên đối với kim loại, gốm sứ là sản phẩm nguyên liệu chính thì không thích hợp để lựa chọn công nghệ này.
Công nghệ này có một số điểm tương đồng với công nghệ in phẳng âm thanh nổi SLA được mô tả ở trên, với điểm khác biệt chính là việc sử dụng DLP (Bộ xử lý ánh sáng kỹ thuật số). Sau khi chuẩn bị photopolymer lỏng, bộ xử lý ánh sáng kỹ thuật số có độ chính xác cao được thiết lập ngay phía trên vật liệu và kỹ thuật viên điều chỉnh thiết bị, di chuyển chùm ánh sáng đến tọa độ (0.0) và hoàn thành quá trình chiếu xạ dưới sự điều khiển của hướng dẫn máy tính, để vật liệu lỏng được xử lý dần dần. Quá trình xử lý bằng ánh sáng cũng được xử lý từng lớp, nhưng tốc độ xử lý nhanh hơn và độ chính xác đúc sản phẩm cao hơn. Ngoài ra, nó còn có ưu điểm hơn các công nghệ in 3D khác về độ mịn bề mặt. Tuy nhiên, có những nhược điểm, chẳng hạn như độ tinh khiết cao của photopolymer lỏng, có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của sản phẩm cuối cùng nếu nó bị trộn với tạp chất.
Quá trình LOM sử dụng một tấm vật liệu mỏng, chẳng hạn như giấy hoặc màng nhựa. Bề mặt của tấm trước đó được phủ một lớp keo nóng chảy. Trong quá trình xử lý, con lăn ép nóng ép nóng tấm để liên kết nó với phôi đã tạo hình bên dưới; Laser CO2 được sử dụng để cắt đường viền mặt cắt ngang của bộ phận và khung bên ngoài của phôi trên lớp mới vừa liên kết, đồng thời cắt các lưới căn chỉnh trên và dưới ở vùng dư thừa giữa đường viền mặt cắt ngang và khung bên ngoài; sau khi hoàn thành việc cắt laser, phôi được tạo thành được hạ xuống bằng bàn làm việc để tách nó ra khỏi tấm dải (đai vật liệu); cơ cấu cung cấp nguyên liệu quay trục nạp và trục cung cấp nguyên liệu để di chuyển đai nguyên liệu sao cho sản phẩm cuối cùng không có hiệu suất tiêu cực. Cơ cấu cấp liệu làm quay trục nạp và trục cấp liệu, điều khiển đai vật liệu chuyển động để lớp mới di chuyển đến khu vực xử lý; bàn làm việc tăng lên mặt phẳng xử lý; con lăn áp lực nóng áp suất nóng, số lớp phôi tăng thêm một lớp và chiều cao tăng theo một độ dày vật liệu; rồi cắt đường viền cắt ngang trên lớp mới. Điều này được lặp lại cho đến khi tất cả các phần của bộ phận được liên kết và cắt, tạo thành một bộ phận rắn được sản xuất theo lớp.
PCM là công nghệ in 3D mới được Đại học Thanh Hoa phát triển vào năm 2013. Quy trình vận hành như sau: đầu tiên, mô hình CAD của bộ phận được vẽ trong máy tính, sau đó các thông số của mô hình được lưu dưới dạng tệp STL . Mô hình CAD được chuyển đổi thành mô hình đúc theo mô hình bộ phận. Các lớp từ trên xuống dưới, sử dụng thiết bị quét, quét từng lớp, sau khi hoàn thành mô hình quét tọa độ ba chiều, sau đó bắt đầu từ dưới lên trên cát, liên kết. Hai vòi phun được sử dụng trong quá trình đúc, một để phun chất kết dính và một để phun chất xúc tác. Hai vật liệu được phun đồng thời và khi tiếp xúc sẽ xảy ra phản ứng keo, tạo thành một lớp vật liệu chắc chắn. Sau khi hoàn thành lớp thứ nhất, lớp thứ hai và thứ ba được thực hiện tuần tự cho đến khi thu được sản phẩm cuối cùng.
3. Lĩnh vực ứng dụng và hạn chế của công nghệ in 3D
Kể từ khi xuất hiện máy in 3D thương mại đầu tiên vào năm 1986, công nghệ in 3D mới phát triển được hơn 30 năm nhưng đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, y học và hàng không. Trong ngành xây dựng, công nghệ in 3D được kết hợp với công nghệ BIM để xây dựng mô hình 3D của tòa nhà trên máy tính sau đó in ra. Thông qua các mô hình tòa nhà ba chiều 3D, hỗ trợ kỹ thuật được cung cấp trong việc trưng bày tòa nhà, tài liệu tham khảo về xây dựng, v.v. Trong ngành y tế, công nghệ in 3D được sử dụng để sản xuất xương nhân tạo mô phỏng, với ứng dụng lâm sàng lý tưởng. Ngoài ra, bác sĩ còn có thể sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra các mô hình bệnh lý, xem trước ca phẫu thuật trong các tình huống mô phỏng, thiết kế chương trình phẫu thuật và nâng cao tỷ lệ thành công của ca phẫu thuật. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, việc sử dụng in 3D có thể tạo ra các bộ phận có độ chính xác cao đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế và yêu cầu sử dụng, chẳng hạn như cánh tuabin động cơ, vòi phun nhiên liệu tích hợp, v.v., điều này cũng góp phần tích cực vào việc cải thiện hiệu suất tổng thể của tàu vũ trụ. Ngoài ra, chẳng hạn như sản xuất khuôn ép phun trong sản xuất công nghiệp, cũng như sản xuất hàng tiêu dùng cá nhân hóa, v.v., với sự trưởng thành của công nghệ in 3D và giảm chi phí sử dụng, cũng lần lượt được thúc đẩy .
Công nghệ in 3D trong việc thúc đẩy và sử dụng quy trình không chỉ nêu bật những ưu điểm mạnh mẽ của ứng dụng mà còn gặp nhiều hạn chế hơn. Nhìn từ góc độ điều kiện kỹ thuật hiện nay, các yếu tố hạn chế sự phát triển và thúc đẩy in 3D chủ yếu bao gồm: Thứ nhất, chất liệu. Qua phân tích trên, có thể thấy vật liệu in 3D hiện nay chủ yếu là nhựa cảm quang, gốm sứ, parafin, v.v. Trong bối cảnh mở rộng lĩnh vực ứng dụng, số lượng vật liệu hạn chế rõ ràng không thể đáp ứng yêu cầu trong một số lĩnh vực mới nổi. Ví dụ: không thể sử dụng vật liệu kim loại và hợp kim để in 3D, điều này đặt ra những hạn chế đối với ứng dụng của nó. Ngoài ra, giá nguyên liệu tương đối đắt, in hàng loạt giá thành cao cũng là một yếu tố hạn chế. Thứ hai, về mặt thiết bị, giá thiết bị phải giảm nếu công nghệ in 3D muốn được thương mại hóa hoàn toàn. Ở giai đoạn này, giá của một máy in 3D thông thường là khoảng 5,000 nhân dân tệ và nếu có yêu cầu cao hơn về độ chính xác thì giá thiết bị dao động từ 10,000 đến vài chục nghìn . Đây vẫn là mức tiêu thụ cao đối với người dùng thông thường, điều này cản trở sự phổ biến hoàn toàn của in 3D.
Xu hướng phát triển công nghệ in 4.3D
Công nghệ in 3D có triển vọng phát triển rộng rãi, trong bối cảnh quy mô thị trường ngày càng mở rộng, để in 3D có thể được tiêu chuẩn hóa và phát triển công nghiệp hóa, cần phải tăng cường các tiêu chuẩn thiết kế và âm thanh cấp cao nhất của ngành. Các cơ quan chính phủ có liên quan hoặc cơ quan có thẩm quyền của ngành càng sớm chuẩn bị và đưa ra một hệ thống tiêu chuẩn thống nhất, bao gồm tiêu chuẩn sản xuất vật liệu, tiêu chuẩn nghiên cứu và phát triển thiết bị, tiêu chuẩn đánh giá công nghệ. Với hệ thống tiêu chuẩn hoàn hảo, sự phát triển của công nghệ in 3D mang đến sự đảm bảo chắc chắn. Ví dụ, trong những năm gần đây, nhiều đơn vị nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu nano, vật liệu tổng hợp polymer và vật liệu gradient chức năng. Sau khi thực hiện tiêu chuẩn thống nhất, các thông số và tiêu chuẩn của các loại vật liệu khác nhau sẽ được quy định và khi mua vật liệu in 3D, chúng tôi sẽ kiểm tra xem chúng có phù hợp với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn hay không, để chấm dứt tình trạng thấp chất lượng, chất liệu “tiểu phẩm” và đảm bảo công năng cũng như chất lượng của sản phẩm in ấn.
Hiện nay, công nghệ in 3D đòi hỏi tính chuyên môn cao trong thiết kế sản phẩm và xử lý thông số khi ứng dụng. Ngoài việc tăng gánh nặng cho nhân viên, nó còn gây ra vấn đề về ngưỡng đầu vào cao. Vì vậy, với sự phát triển của công nghệ AI và công nghệ dữ liệu lớn, tương lai của công nghệ in 3D sẽ phát triển theo hướng thông minh, đơn giản, mang đến cho người dùng những trải nghiệm tốt hơn. Con đường phát triển cụ thể bao gồm hai khía cạnh: một là phần cứng, tức là thiết bị in 3D. Ngoài việc giảm giá thiết bị hơn nữa, nó cũng nên cung cấp nhiều chức năng nhân văn hơn, chẳng hạn như chức năng trực quan hóa, để hiển thị toàn bộ quá trình in 3D, người dùng có thể điều chỉnh các thông số in bất cứ lúc nào theo màn hình thời gian thực, tức là thuận lợi để có được các sản phẩm in mong muốn; thứ hai là phần mềm, cung cấp phần mềm thiết kế, phần mềm điều khiển in ấn và các phần mềm chức năng khác hỗ trợ nhiều loại nhu cầu in ấn hơn.
Thiết bị in và vật liệu in là chìa khóa cho việc ứng dụng và phát triển công nghệ in 3D. R&D phù hợp với nhu cầu in 3D trên nhiều loại vật liệu nhưng cũng trở thành bước tiếp theo trong quá trình phát triển đổi mới công nghệ này. Ngoài các vật liệu nhựa cảm quang được sử dụng phổ biến hơn, các vật liệu bột polymer, chẳng hạn như vật liệu bột parafin, vật liệu bột cát phủ, vật liệu bột kim loại, cũng như vật liệu dây nóng chảy, vật liệu composite gỗ-nhựa, v.v., dự kiến sẽ được sử dụng rộng rãi. được quảng bá trong in 3D. Ngoài việc cung cấp nhiều loại vật liệu hỗ trợ phong phú hơn, hiệu suất của vật liệu, độ rắn chắc và khả năng thích ứng với môi trường đặc biệt cũng sẽ được cải thiện đáng kể, để các sản phẩm in 3D có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và môi trường khác nhau để phát huy lợi thế ứng dụng rõ ràng.
5. Tóm tắt
Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D đã cho thấy lợi thế ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực, nhiều bộ phận và sản phẩm có độ chính xác dựa trên công nghệ in 3D cũng mang lại những tác động tích cực trong việc thúc đẩy sự phát triển và đổi mới của ngành. Cần lưu ý rằng với việc mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ in 3D cũng đang gặp phải một số điểm nghẽn, đặc biệt là về vật liệu và thiết bị. Trong tương lai, chúng ta nên chú ý nghiên cứu và phát triển các công nghệ hỗ trợ, cung cấp nhiều vật liệu in thay thế hơn, cũng như giảm chi phí thiết bị in, nâng cao mức độ nhân đạo và thông minh của hoạt động in ấn, nhằm hỗ trợ kỹ thuật cho phát triển kinh tế và xã hội.
