Bài 8: Đặc Điểm Của Công Nghệ In 3D | Chuyên đề học tập Công nghệ 11 (Công nghệ Cơ khí) | Chuyên Đề 3: Công Nghệ In 3D - Lớp 11 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 35)

Sau khi học xong bài này, em sẽ:

Trình bày được đặc điểm, ứng dụng của công nghệ in 3D và cấu trúc chung, nguyên lí làm việc của máy in 3D.

Hình 8.1

a) Hàng rào đá

b) Tường gạch 

c) Khối lắp ghép lego 

Hãy quan sát Hình 8.1 và nhận xét cách thức tạo thành các cấu trúc đó.

I – ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ IN 3D

1. Đặc điểm của công nghệ in 3D

Hình 8.2. Phương pháp gia công cắt gọt (a) và phương pháp sản xuất bồi đắp (b)

Vật liệu

Phôi liệu

Máy gia công cắt gọt

Sản phẩm 

Phoi/Vật liệu thừa

Vật liệu

Máy in 3D

Sản phẩm

Vật liệu thừa

Khám phá

(Trang 36)

Công nghệ in 3D hoạt động theo nguyên lí sản xuất bồi đắp mà ở đó việc tạo vật thể sẽ được thực hiện theo kiểu đắp dần từng lớp theo chương trình điều khiển bằng máy tính. Công nghệ in 3D có các đặc điểm cơ bản sau:

- Công nghệ in 3D có thể nhanh chóng chế tạo ra sản phẩm in trực tiếp từ mô hình vật thể 3D, cho phép tiết kiệm được thời gian chế tạo sản phẩm.

- Công nghệ in 3D cho phép tiết kiệm được nguyên vật liệu tiêu hao do hạn chế được các lãng phí từ vật liệu cắt bỏ hay phôi liệu.

- Công nghệ in 3D phát huy lợi thế với các kết cấu phức tạp mà phương pháp gia công cắt gọt truyền thống không thể tạo ra được.

- Một đặc điểm nổi bật khác của công nghệ in 3D là tạo ra sản phẩm có tính đa dạng và linh hoạt, đáp ứng nhu cầu của từng cá nhân.

- Sản phẩm của công nghệ in 3D chủ yếu từ nhựa và kim loại, các nguyên vật liệu thô có các đặc tính phù hợp với công nghệ in 3D còn hạn chế.

- Kích thước của các sản phẩm in 3D thường bị hạn chế do không gian làm việc của máy.

Luyện tập

Thông tin bổ sung

2. Ứng dụng của công nghệ in 3D

Mặc dù ra đời muộn hơn các công nghệ sản xuất khác nhưng công nghệ in 3D có nhiều ứng dụng trong sản xuất và đời sống, không chỉ như một phương pháp chế tạo mẫu thử nghiệm mà còn như một phương pháp chế tạo sản phẩm cuối cùng.

a) Trong sản xuất

(Trang 37)

- Trong sản xuất linh kiện, phụ tùng trong công nghiệp: Không chỉ dừng ở việc tạo sản phẩm thử nghiệm như mục đích ban đầu của tạo mẫu nhanh, ngày nay công nghệ in 3D đã cho phép chế tạo ra các sản phẩm sử dụng trực tiếp trong công nghệ chế tạo ở máy bay (Hình 8.5a). Các sản phẩm in 3D thường bằng kim loại có kết cấu nhẹ, hình dáng phức tạp. Trong chế tạo các linh kiện điện và điện tử, công nghệ in 3D cho phép phun ra các chất dẫn điện lên nhiều loại vật liệu khác nhau để tạo ra các bản mạch cứng (Hình 8.5b).

Hình 8.5. Các sản phẩm của công nghệ in 3D trong công nghiệp

a) Cánh tua bin kim loại được in 3D

b) Bản mạch in 3D

Kết nối năng lực

b) Trong các lĩnh vực đời sống

- Trong y tế: Công nghệ in 3D rất hữu ích trong chế tạo các bộ phận thay thế của cơ thể như răng giả thẩm mĩ (Hình 8.6a), khớp, chân tay giả (Hình 8.6b) tương ứng với đặc điểm của từng bệnh nhân. Trong ngành giải phẫu, việc tái tạo các mô hình 3D của các bộ phận cơ thể người bệnh sẽ trợ giúp cho bác sĩ có sự hiểu biết rõ ràng hơn về cơ thể bệnh nhân để đưa ra các chẩn đoán chính xác, diễn tập phẫu thuật hay hướng dẫn trong ca mổ. 

Hình 8.6. Công nghệ in 3D trong y tế

a) Răng giả được in 3D

b) Bàn tay giả được in 3D

(Trang 38)

- Trong xây dựng: Không chỉ dừng lại ở việc tạo ra các mô hình kiến trúc với mục đích trưng bày, triển lãm hay kiểm tra thiết kế (Hình 8.7a), công nghệ in 3D hiện nay còn sử dụng để xây dựng toàn bộ một ngôi nhà (Hình 8.7b). Ưu điểm nổi bật của các ngôi nhà được in 3D là thời gian xây dựng ngắn, tăng tính sáng tạo kiến trúc, giảm chi phí lao động và giảm thiểu tác động đến môi trường. Vật liệu phổ biến dùng trong in 3D xây dựng là nhựa, bê tông,...

Hình 8.7. Công nghệ in 3D trong kiến trúc, xây dựng

a) Mô hình kiến trúc được in 3D

b) Tường nhà được in 3D

- Trong trang trí, đồ trang sức: Với đặc điểm nổi bật có thể chế tạo nhanh vật thể 3D với các kết cấu phức tạp và đa dạng màu sắc, công nghệ in 3D có nhiều ứng dụng trong chế tác đồ trang sức (Hình 8.8a) hoặc các vật dụng trang trí ứng với nhu cầu và thiết kế riêng của người dùng (Hình 8.8b).

Hình 8.8. Công nghệ in 3D và ứng dụng chế tác đồ trang sức và vật dụng trang trí

a) Chiếc nhẫn được in 3D

b) Vật dụng trang trí được in 3D

II – CẤU TRÚC CHUNG CỦA MÁY IN 3D

Máy in 3D có cấu trúc gồm hai phần kết cấu phần cứng và phần mềm. Máy in 3D theo các công nghệ in khác nhau sẽ có cấu trúc khác nhau. Bài học này sẽ giới thiệu cấu trúc của máy in 3D bằng công nghệ đùn vật liệu nóng chảy (FDM - Fused Deposition Modeling) là một trong những loại máy in 3D được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

1. Kết cấu phần cứng

Hình 8.9 mô tả cấu trúc của một máy in 3D bằng công nghệ FDM phổ biến bao gồm các thành phần cơ bản sau:

(Trang 39)

Hình 8.9. Mô hình máy in 3D bằng công nghệ FDM

Cuộn dây nhựa

Cum đầu in

Đầu in

Bộ điều khiển

Hệ thống chuyển động theo phương XY

Bàn in

Quạt làm mát

Màn hình hiển thị LCD

Vùng in

Bản gia nhiệt

Dữ liệu đầu vào

Dữ liệu chuyển động

Hệ thống hiển thị

a) Cụm đầu in

Cụm đầu in có nhiệm vụ gia nhiệt và đùn nhựa nhiệt dẻo qua đầu in. Cụm đầu in gồm có bộ phận gia nhiệt, cảm biến nhiệt và đầu in. Bộ phận gia nhiệt có nhiệm vụ cấp nhiệt cho đầu in trong khi cảm biến nhiệt khống chế nhiệt độ đầu in theo nhiệt độ đã cài đặt. Nhựa từ cuộn dây sẽ được kéo tới đầu in nhờ động cơ điện theo tốc độ đùn nhựa đã cài đặt. Kích thước của đầu in và tốc độ đùn nhựa sẽ ảnh hưởng đến tốc độ in và độ chính xác khi in.

b) Hệ thống chuyển động theo phương XY

Hệ thống chuyển động theo phương XY có nhiệm vụ di chuyển cum đầu in theo đường in trên tiết diện của từng lớp in. Cum đầu in thực hiện chuyển động theo hai phương X và Y. Các chuyển động này được điều khiển bằng động cơ thông qua bộ truyền trục vít hoặc bộ truyền đai. Tốc độ dịch chuyển của cum đầu in được điều khiển bởi tốc độ quay của động cơ điện. Độ chính xác chuyển động theo trục X, Y và ảnh hưởng tới độ chính xác của sản phẩm in.

c) Bàn in và hệ thống chuyển động theo phương Z

Bàn in có nhiệm vụ đỡ sản phẩm in. Đầu in sẽ đùn vật liệu in lên bàn in. Trong quá trình in, động cơ điện sẽ làm bàn in di chuyển theo phương Z để tạo các lớp in. Độ chính xác của chuyển động phương Z ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm in.

Thông tin bổ sung

Nhựa sử dụng cho máy in 3D bằng công nghệ FDM là nhựa nhiệt dẻo dạng dây với nhiều màu sắc được cuộn thành cuộn (Hình 8.10). Đường kính phổ biến của dây nhựa là 1,75 mm. Tùy từng loại vật liệu khác nhau mà nhiệt độ in được cài đặt từ 180°C tới hơn 200°C. Với nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) thì nhiệt độ trong khoảng từ 210°C đến 230°C, trong khi với nhựa PLA (Polylactic Acid) thì nhiệt độ trong khoảng từ 190°C đến 210°C.

Hình 8.10. Cuộn dây nhựa in dành cho máy in 3D bằng công nghệ FDM

(Trang 40)

d) Bộ điều khiển

Bộ điều khiển đóng vai trò bộ não của máy in 3D thực hiện nhiệm vụ điều khiển các chuyển động trong máy in và các chức năng khác như gia nhiệt và kiểm soát nhiệt độ in theo chương trình .gcode được nạp vào bộ điều khiển.

e) Màn hình hiển thị LCD và đầu đọc thẻ nhớ

Máy in 3D thường trang bị một màn hình LCD hiển thị thông số điều khiển máy in và đầu đọc thẻ nhớ cho phép đọc và nạp trực tiếp tập tin .gcode và bộ điều khiển để in sản phẩm mà không cần kết nối với máy tính. Hình 8.11. Máy in 3D bằng công nghệ FDM [ảnh máy in 3D với màn hình điều khiển]

2. Phần mềm cho công nghệ in 3D

Phần mềm của máy in 3D gồm phần mềm thiết kế mô hình 3D và phần mềm in 3D.

a) Phần mềm thiết kế mô hình 3D

Phần mềm thiết kế mô hình 3D có nhiệm vụ xây dựng mô hình vật thể in và xuất ra định dạng chuẩn của công nghệ in 3D là “.stl”. Một vật thể 3D cũng có thể được tạo thông qua các phần mềm chuyên dụng cho phép xây dựng vật thể 3D từ dữ liệu điểm của máy quét 3D hoặc từ các hình ảnh cắt lớp vi tính (CT – Computed Tomography) của vật thể như các bộ phận trong cơ thể.

Thông tin bổ sung

Hình 8.12. Chuyển đổi mô hình CAD sang tập tin định dạng .stl

a) Mô hình thiết kế vật thể rắn 3D

b) Mô hình vật thể 3D dưới định dạng .stl

(Trang 41)

b) Phần mềm in 3D

Máy in 3D được kết nối với máy tính thông qua phần mềm hỗ trợ in 3D gọi tắt là phần mềm in 3D. Phần mềm sẽ nhận dữ liệu đầu vào là tập tin theo định dạng phổ biến là .stl và thực hiện các nhiệm vụ quan trọng bao gồm cắt lớp vật thể in, hình thành các đường in của vật thể hay kết cấu đỡ theo từng lớp in. Phần mềm in 3D còn cho phép người dùng thiết lập các thông số in cơ bản ví dụ vật liệu in 3D dạng FDM là vị trí in, đường in vật thể, chiều dày lớp in, kiểu đường in, mật độ in, tốc độ in, nhiệt độ đầu in,... Sau khi hoàn thành quá trình cắt lớp và hình thành đường in, phần mềm in 3D sẽ trích xuất thành tập tin định dạng .gcode để nạp cho máy in 3D. Các phần mềm in 3D có tích hợp thêm chức năng kết nối với máy in 3D để thực hiện trực tiếp chương trình xuống máy in 3D để tiến hành in và thực hiện các chức năng di chuyển cơ bản của máy in 3D.

Thông tin bổ sung

III – NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA MÁY IN 3D

Nguyên lí làm việc cơ bản của máy in 3D FDM được mô tả như sau: Động cơ điện sẽ quay để kéo sợi nhựa từ cuộn nhựa tới đầu in. Sợi nhựa sẽ được nóng chảy ở đầu in nhờ có bộ phận gia nhiệt. Hệ thống chuyển động XY đưa cum đầu in tới vị trí mong muốn và đùn nhựa lên bàn in theo đường đã định sẵn trong tập tin .gcode. Nhựa ngay sau khi ra ngoài sẽ nguội lại, hoá rắn và liên kết với nhau tạo thành lớp in. Hết một lớp in, hệ thống chuyển động phương Z sẽ di chuyển để in lớp tiếp theo đè lên trên lớp in trước. Tất cả thông số như nhiệt độ in, tốc độ in và tốc độ đùn nhựa đều đã được cài đặt sẵn trong tập tin .gcode và trên máy.