PGS.TS Trần Văn Thắng, Bộ môn Công Nghệ in. ĐHBK Hà Nội.

1          Giới thiêu chung:

Công nghệ in 3D (3D printing) ra đời khoảng 30 năm nay và là một trong những công nghệ in mới phổ biến từ đầu thế kỷ XXI, nó thể hiện cách chế tác hoàn toàn mới để tạo ra một sản phẩm in 3D. Sản phẩm của công nghệ in 3D không bị hạn chế, từ những vật thể nhỏ có thể cầm tay được như một vật bằng nhựa để trang trí đến những vật thể rất to như cánh máy bay, động cơ phản lực… và được làm bằng kim loại, hợp kim cao cấp ...

Công nghệ in 3D đã trở thành một phương pháp công nghệ sản xuất mới làm cốt lõi cho cuộc cách mạng công nghiệp lần 3. Theo Jeremy Rifkin – tác giả cuốn sách “Cuộc cách mạng công nghiệp lần 3” (The third industrial revolution) thì công nghệ in 3D thể hiện như sau: Trong nền kinh tế của Cách mạng công nghiệp lần 3 cho phép hàng triệu người tạo ra thông tin và năng lượng ảo của họ, công nghệ chế tác số (in 3D) nay lại mở ra khả năng chế tạo hàng hóa lâu bền. Ở thời đại này, mỗi người có thể là nhà sản xuất của mình, có địa chỉ internet và công ty năng lượng của mình. Quá trình này được gọi là in 3D. Các nhà máy in 3D làm ra sản phẩm ba chiều nhờ thiết kế có máy tính hỗ trợ. Phần mềm làm việc trực tiếp với máy in 3D tạo ra các lớp in kế tiếp của sản phẩm nhờ dùng bột, chất dẻo hay kim loại nóng chảy để tạo ra sản phẩm. Máy in 3D có thể tạo ra nhiều bản sao tương tự như máy photocopy. Mọi loại hàng hóa từ đồ trang sức đến điện thoại di động, xe ô tô hay các bộ phận của máy bay…được “in ra” theo cách được gọi là “chế tác cộng” (Additive manufacturing) của công nghệ in 3D để phân biệt với “chế tác trừ” (Substractive manufacturing) là cách đẽo, gọt vật liệu sau đó ghép lại với nhau. Người ta đặc biệt chú ý đến công nghệ in 3D vì công nghệ này chỉ tiêu tốn khoảng 10%  vật liệu thô để tạo ra sản phẩm so với công nghệ truyền thống thông thường, năng lượng tiêu tốn cũng ít hơn nhờ đó giảm được giá thành sản phẩm.

Qua tìm hiểu trên internet, các nguồn tài liệu về in 3D trong nước, trên thế giới và cuốn sách “Công nghệ in 3D đã đột phá vào mọi ngành nghề” của PGS. Nguyễn Xuân Chánh, tác giả xin giới thiệu tóm tắt một số phương pháp cơ bản của công nghệ in 3D để bạn đọc tham khảo.

2.     Các phương pháp cơ bản của công nghệ in 3D

2.1  Công nghệ in 3D là gì:

Công nghệ in 3D còn có tên gọi là công nghệ chế tác cộng (Additive Manufacturing – AM) là công nghệ làm ra các sản phẩm bằng cách lần lượt tạo ra các lớp vật liệu xếp chồng lên nhau (in 3D) theo các quy trình được điều khiển tự động bằng máy tính.

Cách gọi trên làm nổi bật đặc điểm khác biệt với cách chế tác kiểu trừ (Substractive Manufacturing – SM) là cách chế tác kinh điển phổ biến đã có  từ xưa. Đó là, từ cách đục, đẽo đá thành công cụ sản xuất của người cổ xưa đến các cách cưa, cắt, bào, mài, khoan,… để làm ra vật dụng, máy móc của con người đều là cách làm từ khối vật liệu to lấy bớt đi (trừ) để thành sản phẩm có kích thước, hình dáng thích hợp.

Ở cách chế tác cộng, sản phẩm được chế tạo thành từng lớp rồi cộng lại bằng cách in chồng các lớp vật liệu lên nhau. Theo nghĩa thông thường in là tạo một lớp mực mỏng trên giấy, tức là tạo ra sản phẩm hai chiều (2D). Chế tác cộng chồng chất nhiều sản phẩm hai chiều để được sản phẩm ba chiều (3D). Bởi vậy cụm từ Công nghệ in 3D đã phản ánh đầy đủ cả công nghệ chế tạo nên được dùng phổ biến hơn cả.

2.2  Các phương pháp cơ bản của công nghệ in 3D

Ở công nghệ in 3D, việc tìm ra một phương pháp in mới luôn luôn gắn liền với việc sáng tạo ra máy in 3D kiểu mới mà tên gọi của nó thường dựa vào nguyên lý của phương pháp công nghệ đó. Hiện nay có hàng chục phương pháp công nghệ in 3D, song chỉ có một số phương pháp được thông dụng.

2.2.1 Phương pháp khắc hình lập thể SL (Stereolithography)

Đây là phương pháp công nghệ in 3D sớm nhất do Charles Hull đưa ra năm 1984 và được cấp bằng sáng chế năm 1986. Charles Hull là người sáng lập ra hãng 3D Systems chuyên về thiết kế, chế tạo máy in 3D làm việc theo nguyên lý khắc hình lập thể SL và gọi tên máy là máy khắc hình lập thể SLA (Stereolithography Aparatus), vì vậy đôi khi trong một số tài liệu  người ta còn gọi lẫn tên máy với tên phương pháp: ví dụ gọi là phương pháp SLA.

Nguyên lý làm việc của phương pháp công nghệ này mô tả trên hình 2.1.

     a)  Mô tả theo không gian 2 chiều.            b) Mô tả  theo không gian 3 chiều

Hình 2.1 Nguyên lý máy in 3D theo phương pháp khắc hình lập thể SL

Một thùng (Vat) đựng polymer quang hóa (Liquid resin - Liquid photopolymer) lỏng, đó là loại polymer bình thường thì ở thể lỏng nhưng khi bị chiếu tia laser vào chỗ nào thì nó sẽ bị kích thích để tạo ra phản ứng quang hóa làm cho polymer lỏng hóa rắn. Giữa thùng có một  khay phẳng đặt trên giá đỡ được gắn với piston có thể chuyển động lên xuống và vào ra (theo mũi tên màu đỏ trên hình) nhờ hệ thống dẫn động (elevator). Phía trên thùng là một máy phát laser, các tia laser từ máy phát qua hệ thống thấu kính (Lenses) tập trung năng lượng rồi chiếu vào một gương quét quay hai chiều để tia lase phản xạ từ gương có thể chiếu lên lớp polymer lỏng theo những tọa độ xác định được điều khiển bằng máy tính theo chương trình riêng.

Khi muốn in 3D một vật thể nào đó, trước hết phải dùng kỹ thuật đồ họa trên máy tính, tưởng tượng cắt vật thể đó thành nhiều lớp song song, mỗi lớp có bề dày h (h thường là từ 0,1 mm đến 0,5 mm) và tạo ảnh của các lớp cắt đó. Nhờ một chương trình đặc biệt gọi là chương trình dữ liệu từ các ảnh cắt lớp chuyển sang, chương trình sẽ điều khiển để máy in 3D lần lượt tạo ra các lớp cắt của vật, xếp chồng các lớp lại tạo ra vật ba chiều. Cụ thể làm việc như sau:

Đầu tiên điều khiển khay phẳng thấp hơn mặt chất lỏng trong thùng sao cho trên khay có lớp polymer lỏng bề dày là h, chiếu lên lớp polymer đó hình ảnh laser của lớp cắt thứ nhất (tính từ dưới lên) của vật, chỗ nào có tia laser chiếu đến polymer lỏng sẽ hóa rắn, do đó khi chiếu xong, trên khay sẽ có lớp cắt bằng polymer rắn giống y hệt như lớp cắt thứ nhất của vật. Tiếp tục hạ khay xuống sao cho trên bề mặt lớp cắt thứ nhất vừa tạo thành có lớp polymer lỏng mới bề dày là h. Chiếu ảnh laser của lớp cắt thứ hai của vật lên lớp polymer lỏng này. Sau khi hóa rắn ta có được lớp lớp polymer rắn thứ hai có bề dày h giống hệt lớp cắt thứ hai của vật chồng lên lớp cắt thứ nhất đã được tạo thành. Cứ như vậy cho đến lớp cắt trên cùng, trên khay sẽ có được toàn bộ vật thể in 3D bằng polymer rắn với hình dạng y hệt vật đã được thiết kế.  

Phương pháp in SL là phương pháp in 3D sớm nhất, nói chung tốc độ in rất chậm. Vật in nhỏ dùng máy SLA nhỏ, nhưng cũng phải cần đến hàng chục giờ đồng hồ mới in xong được. Nếu vật in lớn kích thước đến hàng mét thì phải dùng máy in có thùng chứa lớn và có thể phải mất vài ngày mới in xong. Hiện nay máy in kiểu SLA ít được dùng nhưng hay được sử dụng để trình diễn công nghệ in 3D vì nó rõ ràng và dễ quan sát.

2.2.2  Phương pháp tạo mẫu kiểu phủ nóng chảy FDM (Fused Deposition Modeling)

Nguyên liệu sử dụng ở đây là nhựa hoặc kim loại, hợp kim dễ nóng chảy kéo thành sợi có đường kính cỡ trên dưới 1 milimet và cuộn lại (hình 2.2).

             2.2.a  Nguyên lý phương pháp FDM         2.2.b  Máy in 3D FDM in lọ hoa

Hình 2.2 Phương pháp tạo mẫu kiểu phủ nóng chảy FDM

Một đầu dây kim loại từ cuộn dây a) được xuyên qua lỗ của một bộ phận đặc biệt b) gọi là đầu đùn (extrusion nozzle). Đầu đùn này có bộ phận nung làm cho dây xuyên qua nó bị nóng chảy, kết hợp với cơ cấu đùn ra, các giọt vật liệu nóng chảy từ mũi đầu đùn rơi xuống. Ngay dưới đầu đùn là tấm đế đỡ phẳng e), đầu đùn có thể dịch chuyển qua lại theo cả 2 chiều x,y trong mặt phẳng song song với tấm đế và tấm đế có thể di chuyển lên xuống theo chiều z vuông góc với mặt xy. Khoảng không f) , d) để bố trí các giá đỡ thích hợp.

Quá trình in 3D tạo mẫu của máy in FDM như sau:

Sau khi nạp chương trình và khởi động máy, tấm đế được đưa lên cao gần sát với đầu đùn. Đầu đùn được điều khiển dịch chuyển theo x,y để vẽ lớp cắt thứ nhất. Các giọt vật liệu nóng chảy lần lượt từ đầu đùn được rơi xuống tấm đế, gặp lạnh và nguội đi trở nên cứng. Quét xong lớp thứ nhất trên tấm đế, đầu đùn đã in xong lớp cắt thứ nhất của mẫu vật thể cần tạo ra. Tiếp đó chương trình sẽ điều khiển cho tấm đế hạ xuống theo hướng z một đoạn h bằng chiều dày của lớp cắt thứ nhất. Đầu đùn lại được điều khiển để tiếp tục vẽ lớp cắt thứ hai lên trên lớp cắt thứ nhất. Quá trình cứ tiếp diễn lần lượt như vậy cho đến lớp cắt trên cùng của mẫu vật. Lúc này ta sẽ có được toàn bộ mẫu vật được in 3D đặt trên tấm đế.

Phương pháp công nghệ FDM này do Scott Crump sáng tạo ra và phát triển vào những năm 1980. Scott Crump cũng chính là người thành lập công ty Stratasys là công ty in 3D nổi tiếng nhất hiện nay. Với vật liệu là nhựa chịu nhiệt (thermoplastic) sẵn có trên thị trường (được bán dưới dạng cuộn dây) thì với công nghệ in 3D FDM có thể làm được những vật thể để làm mẫu và cả để sử dụng thay thế vì nhựa cứng, bền, chịu được nhiệt và dễ tạo màu sắc thích hợp. Máy in 3D FDM có thể có nhiều cuộn dây ứng với nhiều đầu đùn, mỗi cuộn dây có một màu vì thế có thể in 3D ra sản phẩm có nhiều màu.

Do máy in 3D FDM hoạt động theo nguyên tắc cơ bản là có dây vật liệu bị đầu đùn làm nóng chảy và đùn ra nên có những nhà sản xuất ra máy in 3D kiểu này nhưng lại gọi tên máy là FFF (Fused Filament Fabrication - chế tạo dây nóng chảy).

2.2.3  Phương pháp lase thiêu kết chọn lọc SLS (Selective Laser Sintering)

Hình 2.3  Phương pháp laser thiêu kết chọn lọc SLS

Đây là phương pháp do giáo sư Joe Beaman và sinh viên Carl Deckard ở Đại học Texas (Mỹ) sáng tạo ra vào những năm 80 của thế kỷ XX. Về sau hai nhà sáng chế này đã tham gia lập hãng Desk Top Manufacturing (DTM), đến năm 2001 hãng này được bán cho hãng 3D Systems chế tạo đưa ra thị trường cả hai loại máy in 3D là máy SLA và SLS.

Nguyên lý hoạt động của máy SLS được mô tả trên hình 2.3. Bên trái hình là nguyên lý cấu tạo và làm việc của máy in 3D SLS, bên phải hình minh họa kết quả laser thiêu kết chọn lọc bột vật liệu in từng lớp cắt vật thể.

Vật liệu dùng để chế tạo ở đây là dạng bột gồm nhiều hạt nhỏ thường là nhựa có nhiệt độ nóng chảy cao hoặc kim loại, hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp. Khi nung nóng các hạt bột bằng tia laser sẽ xảy ra hiện tượng thiêu kết (sintering) tức là hiện tượng ở chỗ các hạt tiếp xúc nhau nhận nhiệt lượng của các tia laser chiếu tới nên các nguyên tử khuyếch tán vào nhau tạo ra liên kết giữa các hạt. Với nguồn laser công suất thông thường, khi chiếu laser vào bột nhựa, sự liên kết giữa các hạt nhựa rất mạnh, các hạt nhựa dính chặt vào nhau ở diện rộng, gần như đóng kết liền lại với nhau. Còn đối với bột kim loại hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp, khi nung nóng bằng tia laser, các nguyên tử ở chỗ tiếp xúc các hạt sẽ khuếch tán vào nhau nhưng không được sâu rộng, do đó các hạt chỉ dính vào nhau ở chỗ tiếp xúc nhưng vẫn còn nhiều chỗ trống ở vùng biên giới giữa các hạt. Kết quả là sau khi thiêu kết, bột kim loại, hợp kim trở thành rắn nhưng còn xốp.

Nơi tạo thành vật 3D theo phương pháp SLS là một tấm phẳng đặt trên nền đỡ có cơ cấu kiểu piston - xylanh (trên hình 2.3 là Fabrication piston), piston chuyển động lên xuống làm tấm phẳng chuyển động lên xuống theo. Bên cạnh cũng có một cơ cấu piston – xylanh trong hộp chứa và cung cấp bột vật liệu ( Powder delivery piston).

Trước hết, tấm phẳng được piston nâng lên gần sát mép trên của xi lanh sao cho khi con lăn (roller) đẩy bột vật liệu sang từ ngăn piston cấp bột vật liệu sẽ tạo ra một lớp bột vật liệu trên tấm phẳng có bề dày là h (bề dày của lớp cắt thứ nhất của vật cần in 3D). Hệ thống quang học gồm một nguồn laser mạnh và máy quét hình sẽ chiếu hình lớp cắt vật thể cần in in bằng tia laser lên lớp bột bề dày h ở trên. Tia laser quét hình ảnh lớp cắt vào lớp bột đến đâu sẽ làm nóng lớp bột đến mức bị thiêu kết và đóng rắn lại, kết quả tạo thành hình ảnh lớp cắt thứ nhất của vật thể bằng vật liệu thiêu kết, xung quanh là lớp bột chưa bị thiêu kết (còn rời rạc). Tiếp theo chương trình điều khiển piston hạ tấm phẳng xuống và con lăn cấp bột lại đẩy vật liệu bột mới sang tạo thành một lớp vật liệu bột thứ hai cũng có chiều dày h (lớp bột này phủ cả lên những chỗ của lớp vật liệu lớp thứ nhất đã bị thiêu kết và chưa bị thiêu kết). Sau đó chương trình lại điều khiển để quét (chiếu) bằng laser hình ảnh lớp cắt thứ hai của vật thể lên lớp bột thứ hai, kết quả là có được hình ảnh lớp cắt thứ hai của vật thể bằng vật liệu thiêu kết và chồng lên lớp thứ nhất.

Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến lớp cắt trên cùng của vật thể và kết quả trên tấm phẳng có được vật in 3D bằng vật liệu thiêu kết có hình dạng và kích thước như thiết kế, xung quanh là bột chưa bị thiêu kết. Cuối cùng người ta có các quy trình phụ để hút, thổi hết bột rời rạc chưa bị thiêu kết cũng như có gia công phụ nếu cần để có được vật in 3D sạch sẽ, rắn chắc như vật đã thiết kế.

Trong suốt quá trình in theo phương pháp SLS luôn luôn hình thành các lớp bột (powder) là vật liệu làm nền (bed) để chiếu hình ảnh lớp cắt bằng tia laser lên, vì vậy đôi khi phương pháp SLS còn được gọi là phương pháp theo kiểu nền bột (powder-bed).

Vật liệu phổ biến nhất để in 3D theo phương pháp SLS là bột nhựa cứng, chịu nhiệt, tuy nhiên có khi người ta dùng cả bột nhôm, bạc hoặc cả gốm, thủy tinh, nhưng khi này phải dùng những nguồn laser mạnh, đắt tiền và khi in xong vật in 3D cần có những xử lý thích hợp để đạt được vật in 3D theo thiết kế.

2.2.4  Phương pháp laser nóng chảy chọn lọc SLM (Selective Laser Melting)

Laser nóng chảy chọn lọc SLM là phương pháp in 3D có từ năm 1995 do các nhà khoa học ở Viện Fraunhofer (Đức) sáng tạo ra. Có khi người ta cho rằng đây cũng chỉ là phương pháp laser thiêu kết chọn lọc SLS nâng cao, nhưng đa số các nhà khoa học nhận định hiện tượng vật lý cơ bản ở đây là nóng chảy rất khác với hiện tượng thiêu kết do đó nó có tên riêng là phương pháp nóng chảy chọn lọc SLM.

Máy in  3D SLM có nguyên lý cấu tạo và hoạt động giống máy in 3D SLS mô tả trên  (hình 2.3), chỉ có hai khác biệt cơ bản là nguồn laser có công xuất lớn (hàng trăm watt) để làm nóng chảy hoàn toàn các bột kim loại bị laser chiếu vào và máy in phải làm việc trong môi trường được bảo vệ bằng khí trơ (nitơ hoặc argon) để tránh oxy hóa kim loại nóng chảy. Vật liệu ở đây có thể là bột mịn của thép không rỉ, thép công cụ, coban, crom, titan và nhôm…

Vì cần phải thực sự làm nóng chảy bột mịn của các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao ở trên nên người ta thường dùng laser sợi Ytecbi công suất lên đến hàng trăm watt. Tuy vậy chiều dày lớp bột mịn cũng rất mỏng, cỡ 20 đến 100 micromet và vì vậy thể tích kim loại nóng chảy tạo thành là nhỏ (5-20 cm³/h). Môi trường khí trơ bảo vệ cũng yêu cầu khắt khe, lượng oxy còn sót lại trong đó phải dưới 5 phần 10000. Chính vì vậy máy in 3 D kiểu SLM có kích thước khá hạn chế. Thông thường máy in trong buồng kín có kích thước 3 chiều khoảng 25x25x35 mm. Trong trường hợp đặc biết có thể lớn hoặc nhỏ hơn.

2.2.5  Phương pháp nóng chảy bằng chùm điện tử EBM (Electron Beam Melting)

Hình 2.4  Phương pháp nóng chảy bằng chùm điện tử EBM

Đây là phương pháp do tập đoàn Arcam AB sáng tạo vào đầu thế kỷ XXI, cũng là kiểu làm nóng chảy trên nền bột (powder bed fusion technique) – Nguyên lý mô tả trên hình 2.4.

Thay cho tia laser cường độ mạnh của phương pháp SLM, ở đây người ta dùng chùm điện tử công suất mạnh đến 4 KW phát ra từ sợi đốt (filament) làm nhiệm vụ của một catôt (điện cực âm) có điện thế cao đến hàng chục kilôvôn. Chùm điện tử tăng tốc đó được hội tụ nhờ thấu kính điện từ (cuộn dây có lõi từ rỗng). Điểm hội tụ của chùm tia điện tử được cuộn dây làm lệch hướng điều khiển quét theo hình lớp cắt trên lớp bột vật liệu mỏng nằm trên tấm phẳng đặt trên nền đỡ (build platform). Ở phương pháp này phải dùng nguồn phát điện tử tăng tốc bằng điện thế cao và vật liệu kim loại nóng chảy nên toàn bộ hệ thống phải đặt trong buồng chân không (Vacuum chamber) có áp suất chân không dưới 1/10.000 mmHg.

Quá trình làm việc của máy tương tự như ở phương pháp laser nóng chảy chọn lọc SLM (chỉ khác ở nguồn năng lượng như đã nêu trên), bột từ phễu chứa (powder hopper) được lần lượt từng lớp lên khay phẳng, chùm điện tử bị cuộn dây làm lệch điều khiển quét theo hình của từng lớp cắt và kết quả sẽ có được hình các lớp cắt xếp chồng lên nhau, đó là phần bị nóng chảy của các lớp bột do chùm điện tử quét vào. Vật in 3D do các lớp bột kim loại nóng chảy rồi đông rắn lại tạo thành, xung quanh vẫn còn bột vật liệu không bị nóng chảy, người ta dùng các thiết bị phụ trợ hút và thổi sạch lấy riêng bột ra để sử dụng lại. Bột vật liệu ở đây thường là các loại bột kim loại hay hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao trên 1000 ⁰C như titan, Inconel 718, Inconel 625 là vật liệu cao cấp chuyên dùng cho ngành y tế và hàng không.

So với phương pháp laser nóng chảy chọn lọc SLM, phương pháp nóng chảy bằng chum điện tử EBM tốn kém hơn nhiều nhưng lại đáp ứng được nhiều yêu cầu cao đặc biệt khác.

Hình 2.5  Một máy in 3D Arcam EBM

1. Phương pháp phun gắn kết BJ (Binder Jetting)

Ở phương pháp phun gắn kết người ta dùng hai loại vật liệu: vật liệu cơ bản có dạng bột như bột kim loại, bột gốm, cát, …vật liệu gắn kết dưới dạng chất lỏng làm nhiệm vụ gắn kết các loại bột.

Nguyên lý phương pháp công nghệ này được mô tả trên hình 2.6 (a,b)

    Đầu phun chất lỏng gắn kêt gồm nhiều mũi phun (hàng trăm, hàng ngàn mũi) được điều khiển phun chất lỏng gắn kết như kiểu ở máy in phun (Injet printhead). Đầu in phun này được điều khiển theo hai chiều x,y, dưới đầu phun là tấm đế (Build platfỏm) dịch chuyển được theo chiều đứng z nhờ cơ cấu pitston. Cạnh tấm đế là hộp chứa bột vật liệu, phía trên có con lăn  được điều khiển theo chương trình để cấp bột trải lên tấm đế.

   Quy trình công nghệ của phương pháp in 3D kiểu BJ này gồm các bước như sau:

1. Con lăn chuyển động đẩy một lớp bột vật liệu mỏng tương ứng với lớp cắt thứ nhất (dưới cùng) phủ đều trên tấm đế đỡ.
2. Đầu phun chuyển động phun chất lỏng lên lớp bột theo hình của lớp cắt thứ nhất. Sau khi phun, trên đế có lớp cắt thứ nhất do các hạt bột vật liệu gắn kết với nhau. Xung quanh lớp cắt thứ nhất này là lớp các hạt bột vật liệu không bị gắn kết nhưng vẫn được giữ nguyên dung làm nền cho các lớp bột tiếp sau.

1. Mô tả theo không gian 2 chiều

1. Mô tả theo không gian 3 chiều

Hình 2.6 (a,b) Phương pháp phun gắn kết BJ

1. Tấm đế được hạ xuống một đoạn đúng bằng bề dày của một lớp cắt.
2. Con lăn lại trải lớp bột thứ 2 lên trên lớp bột thứ nhất (đã có hình ảnh lớp cắt thứ nhất được tạo thành). Đầu phun chất lỏng gắn kết tiếp tục dịch chuyển và phun chất lỏng gắn kết theo hình của lớp cắt thứ hai. Như vậy đã có được lớp cắt thứ hai trên lớp cắt thứ nhất.

Tiếp tục lặp lại các bước trên cho đến lớp cắt trên cùng người ta sẽ có được toàn bộ vật in 3D rắn do bột vật liệu bị gắn kết lại, xung quanh là bột rời rạc không bị gắn kết.Lấy vật đã in ra, thổi sạch bột rời còn lại ta sẽ được vật in 3D như thiết kế.

Phương pháp in gắn kết BJ có thể thực hiện được nhanh nhờ nhiều mũi phun và dễ dàng “in màu” do dùng nhiều loại bột. Trong quá trình in không cần dùng nhiệt để làm nóng chảy hay thiêu kết vật liệu. Đôi khi người ta chỉ dùng nhiệt để làm cho chất lỏng gắn kết chóng khô.

Trong trường hợp vật liệu bột là bột kim loại, hợp kim, vật đã in xong có thể tăng gắn kết giữa các hạt bằng cách nung nóng toàn bộ để thiêu kết. Vật in 3D sau khi xử lý bằng cách này sẽ có nhiều lỗ xốp trống chứa không khí ở bên trong, người ta có thể bơm thêm chất lấp đầy để vật thêm chắc chắn.

2.2.7  Phương pháp chế tác vật (in 3D) từ lá LOM (Laminated Object Manufacturing)

Phương pháp chế tác vật từ lá LOM do hãng Helisys ở Torrance (California, Mỹ) sáng tạo ra và máy in 3D kiểu LOM được bán ra thị trường từ năm 1991.

Vật được chế tác theo công nghệ in 3D kiểu này bao gồm nhiều lớp mỏng chồng lên nhau, dán chặt với nhau. Mỗi lớp vật liệu được cắt từ lá vật liệu theo hình dáng kích thước của lớp cắt tương ứng của vật. Có nhiều máy in 3D LOM, dưới đây chỉ trình bày nguyên lý cấu tạo và làm việc của một kiểu máy in 3D LOM phổ biến nhất- Hình 2.7.

                            Hình 2.7  Phương pháp chế tác vật từ lá LOM

Lá mỏng được cuốn tròn thành cuộn và được kéo căng phẳng trên 2 trục. Dưới lá mỏng là tấm đế đỡ có thể điều khiển chuyển động lên xuống nhờ hệ thống piston (7). Sát trên lá mỏng là con lăn nhiệt (2), khi lăn nó vừa tỏa nhiệt vừa ép lá mỏng xuống làm cho lá trên dính chặt với lá dưới. Hệ thống tạo tia laser và bộ quét tạo ra tia laser mạnh tập trung, chiếu đến đâu làm thủng lá mỏng đến đó và khi dịch chuyển tia laser như một mũi dao nhọn cắt rời lá mỏng.

Quá trình in 3D LOM gồm các bước chính sau:

1. Từ cuộn cấp phôi lá mỏng (1), lá mỏng được kéo căng ra đặt lên tấm đế và con lăn nhiệt lăn qua để ép lá mỏng dính vào tấm đế.
2. Tia laser (3) được điều khiển để lần lượt quét theo đường viền của hình lớp cắt thứ nhất. Phần lá mỏng bên ngoài hình lớp cắt thứ nhất được tia lasẻ cắt vụn ra thành những ô vuông để về sau dễ tách ra bỏ đi.
3. Tấm đế đỡ cùng lá mỏng đã bị tia laser cắt theo viền của hình lớp cắt thứ nhất được hạ xuống. Cuộn cấp và cuộn phế thải quay để kéo lá mỏng còn nguyên vẹn ép lên trên lá mỏng đã bị tia laser cắt của lớp thứ nhất. Tiếp theo con lăn nhiệt lăn qua để lá mỏng nguyên vẹn ở trên ép chặt dính với lá mỏng đã bị cắt ở dưới.
4. Tia laser được điều khiển để quét trên lá mỏng theo đường viền của hình lớp cắt thứ hai. Phần ngoài của lớp cắt được tia laser cắt vụn ra thành ô vuông để dễ loại bỏ đi.

Tiếp đó quá trình “in” được lặp lại lần lượt trình tự như từ bước thứ 3 cho đến hết lớp cắt trên cùng của mẫu vật, sản phẩm có được các lớp cắt xếp chồng dính vào nhau thành một khối, đó là vật in 3D theo kiểu LOM.  

2.2.8  Phương pháp sản xuất liên tục ở bề mặt biên chất lỏng CLIP (Continuous Liquid Interface Production).

Theo công bố của các hãng sản xuất thì in 3D theo phương pháp này nhanh gấp 25 đến 100 lần các phương pháp in 3D đã trình bày ở trên, mặt khác tránh được cấu trúc phân lớp ít nhiều đều có ở các sản phẩm in 3D khác.

Ở phương pháp CLIP, sản phẩm in 3D tạo ra không phải là do lần lượt xếp chồng từ lớp đầu đến lớp cuối mà là hình thành liên tục nên sản phẩm in tạo thành vừa nhanh hơn lại vừa chắc hơn.

Nguyên lý của phương pháp được mô tả trên hình 2.8.

Hình 2.8  Phương pháp sản xuất liên tục ở mặt biên chất lỏng CLIP

Một hộp (khay) đựng chất nhựa lỏng quang hóa, nếu có ánh sáng tử ngoại (UV) chiếu vào chỗ nào của chất lỏng này thì các photon tử ngoại sẽ kích thích các phản ứng polyme hóa làm chỗ đó hóa rắn. Nhưng nếu chất nhựa lỏng có chứa nhiều oxy thì các phản ứng polymer hóa không xảy ra - tức là phản ứng polymer hóa bị ngăn chặn lại.

Cốt lõi của phương pháp CLIP là ở đáy hộp có một tấm đặc biệt gọi là “cửa sổ” cho tia tử ngoại xuyên qua và oxy thấm qua được (tấm cửa sổ này trong suốt và cho oxy thấm qua). Bằng cách điều khiển lưu lượng oxy thấm qua cửa sổ, có thể tạo ra ở đáy khay một lớp polymer lỏng giàu oxy dày khoảng 10 micromet gọi là vùng chết (dead zone). Gọi là vùng chết vì ở vùng này nếu có tia tử ngoại chiếu đến thì thì các phản ứng polymer hóa cũng không xảy ra được tức là chất nhựa lỏng không bị hóa cứng. Nhưng trên vùng chết này chất nhựa lỏng vẫn bị hóa cứng khi bị chiếu tia tử ngoại.

Phía trên, bên trong chất nhựa lỏng là một tấm đế có thể điều khiển lên xuống theo chương trình (từ khi bắt đầu in thì tấm đế được kéo lên liên tục).

Ban đầu, sau khi điều chỉnh oxy thấm qua tấm cửa sổ để tạo ra lớp chết dày khoảng 10 micromet nằm ngay trên tấm cửa sổ, tấm đế được hạ xuống sát mặt trên cùng của lớp chết. Hệ thống chiếu bắt đầu chiếu hình ảnh tử ngoại của các tiết diện vật cần chế tạo, bắt đầu từ tiết diện thứ nhất - thấp nhất (dưới cùng) của vật thể. Khi này ở mặt dưới tấm đế bắt đầu hình thành lớp nhựa lỏng hóa rắn tương ứng với lớp tiết diện thứ nhất của vật thể cần chế tạo (nằm sát bề mặt trên cùng của lớp chết). Tấm đế được liên tục kéo lên ăn nhịp với tốc độ chiếu hình ảnh tử ngoại các tiết diện của vật và phù hợp với tốc độ đóng cứng của phản ứng polymer hóa nhựa. Cuối cùng sản phẩm dính với tấm đế là toàn bộ vật in 3D kiểu CLIP nhìn như là được kéo lên từ hộp nhựa lỏng.

2.2.9  Phương pháp in phun kim loại nóng chảy LMJP

Kim loại (hay hợp kim) thông thường có nhiệt độ nóng chảy từ vài trăm đến vài nghìn độ. Vì vậy cách phổ biến để có vật in bằng kim loại là laser thiêu kết chọn lọc SLS hoặc laser nóng chảy chọn lọc SLM như đã trình bày ở trên (mục 2.2.3 và 2.2.4). Phương pháp này thuận lợi, dễ phổ biến nhưng kim loại phải làm thành hạt bột rất mịn thì các hạt nóng chảy mới kết dính lại thành một khối rắn chắc. Để làm được bột kim loại thật mịn yêu cầu phải có công nghệ xử lý đặc biệt và rất khó làm. Đây là nhược điểm chính của của các phương pháp trên. Nguyên lý của LMJP mô tả trên hình 2.9.

Hình 2.9  Phương pháp in phun kim loại nóng chảy LMJP

Phương pháp phun chất lỏng nóng chảy in theo một hình dạng nhất định để khi nguội cứng lại có một vật (ba chiều) đã có từ lâu đối với vật liệu dễ nóng chảy như sáp. Tuy nhiên in bằng tia kim loại nóng chảy chỉ được bắt đầu vào năm 1972 do hãng IBM thực hiện với mục đích phục vụ công nghiệp điện tử. Hãng Philips Bắc Mỹ có bằng sáng chế về in phun kim loại lỏng LMJP năm 1989. Ở đây người ta dùng gốm áp điện PZT để tạo ra áp suất làm cho kim loại lỏng phun ra thành các giọt nhỏ từ lỗ phun ở đầu phun, các giọt này chồng chất lại và đông cứng tạo ra vật in 3D như tên gọi sau này. Vì PZT chỉ bị tác động dưới một nhiệt độ nhất định (nhiệt độ Curie) nên kim loại nóng chảy ở đây phải có nhiệt độ nóng chảy dưới 200⁰C.

Năm 1993 có một sáng chế dùng bơm điện động lực để phun ra giọt kim loại nóng chảy (trên hình 2.9, phía trên: mô phỏng hình thành giọt kim loại (KL) lỏng). Bơm có bộ phận chủ yếu là một cuộn dây điện từ có dòng điện chạy qua tạo lực điện từ đẩy cho kim loại lỏng phun ra. Bơm điện động lực hoạt động rất tin cậy nhưng tốc độ tạo xung áp suất không cao như bơm áp điện.

Các giọt kim loại lỏng phun ra khỏi đầu phun rơi xuống giá đế bị nguội đi, dính vào nhau và đông rắn lại Tùy theo chương trình điều khiển để đầu phun vẽ lên giá đế hình gì (có thể đầu phun đứng yên, giá đế chuyển động) kết quả cuối cùng là các giọt phun ra rơi xuống đế tạo thành vật 3 chiều trên đế, đó là sản phẩm in 3D theo phương pháp LMJP. Quan sát mặt ngoài của sản phẩm in 3D này có thể thấy các hạt nhỏ dính liền hoặc liền nhau như một khối, điều này phụ thuộc vào kích thước giọt kim loại lỏng phun ra (kích thước lỗ đầu phun - thường từ 50 micromét đến 500 micromet), tần số phun, loại kim loại lỏng ..v.v. Máy in phun kim loại lỏng có loại 1 đầu phun hoặc nhiều đầu phun và in được một hoặc nhiều kim loại một lúc.

Hãng chế tạo máy in 3D kiểu LMJP nổi tiếng là hãng Vader, hãng đã đưa ra thị trường hàng loạt máy in 3D có thể in được nhôm với thông số sau:

• In phun kim loại lỏng (nhôm).
• Thể tích máy 250x250x250 mm.
• Tốc độ in : 20 ml/h.
• Công suất điện tiêu thụ: 1800 W
• Trọng lượng 54 kg
• Giá khoảng 10.000 USD.

Bên cạnh việc phát triển nhiều kiểu máy in phun kim loại lỏng đã xuất hiện xu hướng tìm những kim loại (hợp kim) dễ nóng chảy để việc in dễ dàng hơn. Nhiều nghiên cứu hướng về hợp kim Bi (Bismut) và In (Indi) có pha thêm kim loại như thiếc (Sn) và kẽm (Zn) làm chức năng dẫn điện. Ví dụ hợp kim Bi₃₅In_48,6Sn_15,9Zn_0,4 có tỷ trọng 7,56 g/cm³ (gần như sắt là 7,86 g/cm³), nhiệt độ nóng chảy là 58,3⁰C, rất thuận lợi để in các vi mạch trong công nghệ vi cơ điện tử MEMS.

2.2.10  Phương pháp chọn lọc phân tách thiêu kết SSS (Selective Separation Sintering)

Để có sản phẩm in 3D là kim loại hoặc gốm đã có những phương pháp phổ biến nêu trên như: phương pháp thiêu kết chọn lọc SLS, phương pháp laser nóng chảy chọn lọc SLM hoặc phương pháp nóng chảy bằng chùm điện tử EBM.

Các phương pháp này cho phép có được sản phẩm in 3D cấu tạo từ các hạt bột (gốm hoặc kim loại) thiêu kết hoặc nóng chảy kết lại với nhau. Nhờ các phương pháp này có thể có được sản phẩm in 3D bằng kim loại hoặc bằng gốm khá bền chắc. Tuy nhiên máy in 3D sử dụng các phương pháp này đều đắt, đòi hỏi môi trường chọn lọc (không bị oxy hóa, chân không …) và nói chung tốc độ in rất chậm.

Phương pháp chọn lọc phân tách thiêu kết SSS là phương pháp do các nhà khoa học Jing Zhang và Behrokh Khoshnevis ở Đại học Southern California sáng tạo nên. Phương pháp này có thể mô tả nguyên lý trên hình 2.10.

Ở phương pháp này có hai loại bột được dùng. Một là loại bột cơ sở, gọi tắt là bột B (base powder) gồm các hạt nhỏ khi nung nóng dễ thiêu kết, các hạt bột gắn chặt lại với nhau, người ta còn gọi là bột tạo ra vật in. Hai là loại bột phân tách, gọi là bột S (separator powder – S powder) có nhiệt độ thiêu kết cao hơn hẳn nhiệt độ thiêu kết của loại bột B. Vì vậy khi nung nóng cả hai loại bột ở nhiệt độ vừa phải thì các bột cơ sở (bột B) bị thiêu kết nên dính chặt vào nhau, còn loại bột phân tách (bột S) vì chưa bị thiêu kết nên vẫn rời rạc.

Quá trình in 3D theo phương pháp SSS gồm các bước như sau:

1. Trải đều một lớp mỏng bột B lên trên khay đỡ.
2. Đầu phun bột S được hạ xuống sao cho mũi phun ngang với lớp bột mỏng B vừa trải ra. Mũi phun bột S được điều khiển sao cho nó vạch theo các đường biên của hình ảnh lớp cắt và sẽ gạt lớp bột B sang 1 bên đường đó đồng thời phủ vào đường vạch đó lớp bột S (lớp bột B và S lúc này có chiều dày bằng nhau).
3. Mũi phun được nâng lên cho có khoảng cách với bề mặt lớp bột B để chuẩn bị cho việc trải lớp bột B thứ 2 tiếp theo.
4. Nâng bình chứa bột B lên một đoạn và hạ khay đỡ xuống một đoạn, sẵn sàng cho quá trình trải lớp bột B tiếp theo lên trên lớp bột B đã trải trước đó.
5. Lặp lại các thao tác từ 1 đến 4 cho đến khi hoàn thành trải tất cả các lớp bột của vật in đã thiết kế.
6. Đưa khay có các lớp bột đã xếp chồng lên nhau vào lò thiêu kết.
7. Phần bột B được thiêu kết dính liền nhau thánh một khối được lấy ra khỏi lò, đó là vật in 3 D đã được tạo ra bằng phương pháp SSS. Phần bột S ở xung quanh không bị thiêu kết nên rời rạc, dễ dàng dùng khí thổi ra khỏi vật in 3D để dùng lại cho lần sau.

Máy in 3D kiểu SSS có hai bộ phận quan trọng nhất đó là: bộ phận gạt bột B thành lớp mỏng trên khay và bộ phận điều khiển đầu phun bột S chuyển động vẽ ra các đường bột S cách ly. Do chỉ có hai bộ phận chủ yếu trên nên việc chế tạo máy in 3D kiểu SSS để có vật in được là to hay nhỏ là dễ dàng hơn.

Ngoài ra có thể dùng nhiều loại bột B ứng với các chất khác nhau trong khi đó chỉ cần dùng một loại bột S, miễn là nhiệt độ thiêu kết của bột S cao hơn hẳn của các loại bột B.

Phương pháp SSS có thể dùng phổ biến với các loại bột B như bột đồng (thiêu kết ở 780⁰C), bột thép không rỉ (thiêu kết ở 1150 ⁰C); còn bột S có thể là SiO₂ , bột vonfram để làm ra các vật in 3D như bánh răng bằng đồng, hình côn bằng thép không rỉ…

2.2.11 Phương pháp in phun sol khí AJP ( Aerosol Jet Printing)

Đây là phương pháp in 3D đặc biệt dùng trong ngành điện tử và đã là phương pháp chủ chốt của công nghệ in 3D điện tử (3D electronic printing).

Nguyên lý của phương pháp in phun sol khí AJP mô tả trên hình 2.11.

        1, Bình đựng sol khí;                         2. Ống cho sol khí thổi qua

3. Đầu phun có hình nón cụt để luồng khí thổi vào, bên trong là luồng sol khí phun mạnh xuống, tiêu tụ ở mặt đế.

Hình 2.11  Phương pháp in phun sol khí AJP

Sol khí hay aerosol là hệ keo của các hạt chất rắn hoặc các hạt chất lỏng trong không khí hoặc các chất khí khác. Sol khí ở đây làm từ dung dịch huyền phù gồm các hạt cực nhỏ nằm trong chất lỏng. Dung dịch có thể là chất polymer hòa tan, huyền phù các hạt nhỏ, có thể là các hạt nhỏ chất bán dẫn kim loại hoặc điện môi.

Nguyên lý của phương pháp AJP như sau:

Dung dịch chất lỏng hoặc huyền phù được đặt trong bình 1, nhờ siêu âm hoặc khí nén thổi qua tạo ra sol khí, tương tự như quá trình xịt nước hoa hay phun sơn. Luồng sol khí này qua ống dẫn 2 được dẫn đến đầu phun đặc biệt 3. Đầu phun 3 có cấu tạo là hình nón cụt, bên trong là dòng sol khí thổi qua, bên ngoài hình nón cụt có khe để thổi mạnh luồng không khí hoặc khí trơ vào đó. Luồng khí bên ngoài có tác dụng kéo mạnh luồng sol khí làm thành một tia cực nhỏ tiêu tụ (hội tụ) tại điểm cách đầu hình nón cụt một khoảng từ 5 mm đến 10 mm. Có thể xem đầu phun này như là đầu ngòi bút phun mực ra, đầu ngòi bút này được chương trình điều khiển vẽ nên hình gì thì bề mặt dưới ngòi bút sẽ có hình đó bằng mực in từ sol khí. Những ưu điểm nổi bật của phương pháp in phun sol khí AJP là:

- Tia sol khí rất mảnh lại tập trung lại thành diện tích rất nhỏ (nhỏ nhất có đường kính 10 µm), đồng thời điểm tiêu cự cách đầu phun (5 ÷ 10) mm nên có thể vẽ được những nét bề ngang rộng 10 µm lên mặt phẳng (2D) hoặc mặt cong (3D).

- Mực in dưới dạng tia phun sol khí sau khi phun lên bề mặt sẽ bay hơi và khô tạo thành những nét in trên bề mặt in. Dung dịch hoặc huyền phù trong dung dịch có thể chế tạo bằng những vật liệu khác nhau nên những nét in trên bề mặt có thể là chất polymer không dẫn điện, polymer dẫn điện, các hạt kim loại, hợp kim, bán dẫn.v.v..

- Máy in phun sol khí AJP có thể có nhiều đầu phun, mỗi đầu phun lại có thể có nhiều đầu phun con, in trên các mặt có độ cong tùy ý đồng thời có thể in nhiều lớp chồng chất lên nhau. Nhờ đó có thể để in mạch in thông thường, cũng có thể dùng để chế tạo nhiều linh kiện cùng mạch in hoặc in ra cả một máy điện tử.hoàn chỉnh.

3. Kết luận:

In 3D đã phá bỏ những hàng rào của chế tác truyền thống bằng cách chế tác sản phẩm hoàn toàn mới vì từ chiếc máy in đơn lẻ có thể làm ra toàn bộ các bộ phận của sản phẩm, lắp ráp đầy đủ và một người vận hành có thể làm trong một xưởng in với nhiều máy in 3D.

Những phương pháp công nghệ của in 3D rất phong phú, trong phạm vi của một bài viết tác giả chỉ mong muốn mang đến cho độc giả những phương pháp cơ bản nhất mà đã được ứng dụng vào thực tế hiện nay. Tương lai của in 3D rất rộng lớn, nó đã  đột phá vào mọi ngành nghề, mọi lĩnh vực của xã hội và như John Hornick đã viết: “In 3D sẽ làm lung lay thế giới”- “ 3D printing Will Rock the World”. Nhiều sản phẩm của in 3 D sẽ làm ngạc nhiên thế giới trong tương lai.

Ngôi nhà được in 3D tại Nga trong thời gian 24 h . Bạn đọc có thể tham khảo thêm theo địa chỉ sau: https://www.youtube.com/watch?v=PZVKP3OqL7w

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Xuân Chánh (2016), Công nghệ in 3D đã đột phá vào mọi ngành nghề, NXB Đại học Bách khoa Hà Nội.
2. Hideo Kodama, Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer, Review of Scientific Instruments, Vol. 52, No. 11, pp 1770-1773, November 1981
3. Pearce, Joshua M.; Morris Blair, Christine; Laciak, Kristen J.; Andrews, Rob; Nosrat, Amir; Zelenika-Zovko, Ivana (2010), 3-D Printing of Open Source Appropriate Technologies for Self-Directed Sustainable Development, Journal of Sustainable Development. 
4. Amberlee S. Haselhuhn, Eli J. Gooding, Alexandra G. Glover, Gerald C. Anzalone, Bas Wijnen, Paul G. Sanders, Joshua M. Pearce. Substrate Release Mechanisms for Gas Metal Arc 3-D Aluminum Metal Printing, 3D Printing and Additive Manufacturing, 1(4): 204-209 (2014)
5. https://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing