Trong bối cảnh công nghệ đang phát triển nhanh chóng hiện nay, in 3D đã nổi lên như một lực lượng biến đổi trong nhiều ngành công nghiệp. Từ sản xuất công nghiệp đến các ứng dụng y tế và tùy chỉnh cá nhân, công nghệ mang tính cách mạng này đã trở nên phổ biến. Nhưng chính xác điều gì làm cho những cỗ máy đáng chú ý này hoạt động? Không chỉ là những "đồ chơi công nghệ cao", máy in 3D đại diện cho các thiết bị tinh vi, tích hợp kiến thức từ kỹ thuật cơ khí, điện tử, khoa học vật liệu và hơn thế nữa. Bài viết này cung cấp một cuộc kiểm tra bách khoa về các thành phần của máy in 3D, các cơ chế hoạt động phức tạp của chúng và khám phá tiềm năng trong tương lai của công nghệ.
In 3D, còn được gọi là sản xuất bồi đắp (AM), là một quy trình xây dựng các đối tượng ba chiều bằng cách liên tiếp lắng đọng vật liệu theo từng lớp. Không giống như các phương pháp sản xuất truyền thống theo kiểu trừ (như phay hoặc tiện), in 3D xây dựng các đối tượng từ dưới lên, mang lại sự linh hoạt và khả năng tùy chỉnh vô song, cho phép tạo ra các cấu trúc phức tạp không thể thực hiện được bằng các kỹ thuật thông thường.
Nguyên tắc cốt lõi của in 3D liên quan đến việc phân rã một mô hình ba chiều thành một loạt các lát cắt hai chiều. Sau đó, máy in sẽ tuân theo dữ liệu lát cắt này để kiểm soát việc lắng đọng vật liệu theo từng lớp. Toàn bộ quá trình bao gồm:
Dựa trên vật liệu và phương pháp tạo hình, công nghệ in 3D có thể được phân loại thành một số loại:
Bài viết này chủ yếu tập trung vào công nghệ FDM, hiện là lựa chọn dễ tiếp cận và tiết kiệm chi phí nhất cho in 3D để bàn. Các phần sau đây trình bày chi tiết các thành phần cơ khí và điện của máy in FDM.
Hệ thống cơ khí của máy in FDM đùn và lắng đọng vật liệu một cách chính xác lên bệ xây dựng để tạo ra các đối tượng ba chiều. Các thành phần chính bao gồm bệ in, sợi, máy đùn và hệ thống điều khiển chuyển động.
Bệ in đóng vai trò là nền tảng để xây dựng đối tượng, yêu cầu một bề mặt hoàn toàn bằng phẳng và ổn định để vật liệu bám dính đúng cách. Đặc điểm của bệ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng in và tỷ lệ thành công.
Bệ có gia nhiệt so với Bệ không gia nhiệt: Hầu hết các máy in đều có bệ gia nhiệt để ngăn ngừa cong vênh bằng cách duy trì nhiệt độ ổn định (PLA: 50-60°C, ABS: 100-110°C). Bệ không gia nhiệt thường chỉ giới hạn người dùng in PLA.
Bề mặt bệ: Có nhiều tùy chọn bề mặt khác nhau:
Căn chỉnh bệ: Rất quan trọng để đảm bảo chiều cao vòi phun nhất quán trên toàn bộ khu vực in, có thể đạt được thông qua điều chỉnh thủ công hoặc hệ thống dựa trên cảm biến tự động.
Sợi đóng vai trò là nguyên liệu thô để in FDM, thường được cung cấp dưới dạng dây được cuộn. Việc lựa chọn vật liệu ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng in và hiệu suất.
Các loại sợi phổ biến:
Đường kính tiêu chuẩn bao gồm 1,75mm và 3,0mm, với các biến thể về chất lượng ảnh hưởng đáng kể đến kết quả in.
Máy đùn đại diện cho thành phần cốt lõi của máy in, làm tan chảy và lắng đọng sợi một cách chính xác. Hiệu suất ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ in, độ chính xác và độ tin cậy.
Đầu lạnh: Kéo sợi từ cuộn bằng bánh răng và cơ chế căng do động cơ điều khiển.
Đầu nóng: Làm tan chảy sợi thông qua các bộ phận làm nóng (thường là 30-50W) và lắng đọng chính xác thông qua vòi phun (kích thước phổ biến: 0,2mm-0,8mm).
Hệ thống truyền động: Truyền động trực tiếp (tốt hơn cho vật liệu dẻo) so với Bowden (đầu in nhẹ hơn để có tốc độ nhanh hơn).
Hệ thống này định vị chính xác đầu in trong không gian ba chiều bằng cách sử dụng động cơ bước và các cơ chế di chuyển khác nhau.
Hệ tọa độ: Cartesian (phổ biến nhất), Delta (nhanh nhưng phức tạp) và cấu hình SCARA (nhanh nhưng phạm vi giới hạn).
Cơ chế truyền động: Truyền động bằng dây đai (rẻ tiền nhưng kém chính xác), vít me (chính xác nhưng ồn) và thanh ray tuyến tính (chuyển động trơn tru).
Công tắc giới hạn: Xác định ranh giới trục bằng cảm biến cơ học hoặc quang học.
Hệ thống điện phối hợp tất cả các chức năng của máy in, bao gồm chuyển động, gia nhiệt và giám sát.
Chuyển đổi nguồn AC sang DC (thường là 12V hoặc 24V) bằng nguồn điện máy tính ATX đã sửa đổi hoặc các thiết bị chuyên dụng.
Trung tâm điều khiển có:
Động cơ tiêu chuẩn NEMA 17 (góc bước 1,8° hoặc 0,9°) với khả năng vi bước để chuyển động trơn tru.
Bộ gia nhiệt dạng ống (30-50W) làm tan chảy sợi, được theo dõi bằng điện trở nhiệt hoặc cặp nhiệt điện để kiểm soát nhiệt độ chính xác.
Nhiều quạt làm mát đầu nóng, các bộ phận đã in và thiết bị điện để ngăn ngừa quá nhiệt.
Công nghệ in 3D tiếp tục phát triển nhanh chóng trên nhiều mặt trận:
Việc mở rộng ra ngoài nhựa sang gốm, vật liệu composite và vật liệu sinh học sẽ mở rộng đáng kể các ứng dụng.
Việc tích hợp với gia công CNC, ép phun, AI và IoT sẽ tạo ra các hệ thống sản xuất lai.
Tăng trưởng vào xây dựng, may mặc, sản xuất thực phẩm và các ngành công nghiệp khác ngoài các ứng dụng hàng không vũ trụ và y tế hiện tại.
Cá nhân hóa thực sự các sản phẩm tiêu dùng từ giày dép đến thiết bị y tế sẽ thay đổi các mô hình sản xuất.
Khả năng sản xuất tại địa phương sẽ cách mạng hóa chuỗi cung ứng, đặc biệt là ở những khu vực xa xôi hoặc bị thiên tai.
Khi những tiến bộ này hội tụ, in 3D sẽ thay đổi về cơ bản cách chúng ta thiết kế, sản xuất và phân phối sản phẩm trên các ngành công nghiệp toàn cầu.
