Máy in 3D hoạt động như thế nào?

Từng lớp từng lớp, máy in 3D tạo ra vật thể từ vật liệu nhựa kết dính. Xin giới thiệu với các bạn quá trình tạo ra một vật thể của máy in 3D, cùng với những công nghệ in ấn tiên tiến sẽ sớm được thương mại hóa trong tương lai.

>>> Kim loại lỏng: Bước phát triển mới của in 3D

Nói đến máy in 3D người ta thường ta thường nghĩ đến một quá trình in ấn phức tạp. Nhưng không phải vậy. Có rất nhiều điều thú vị xung quanh việc tạo ra một vật thể từ máy in 3D. Dưới đây là cơ chế hoạt động của máy in 3D ở cấp độ người tiêu dùng. Lưu ý là bạn phải sử dụng hình ảnh 3D để in.

Đầu vào là sợi nhựa, đầu ra là nhựa kết dính

Người sử dụng máy in 3D sẽ lựa chọn 2 loại vật liệu đầu vào: Acrylonitrile Butadiene Styrene (nhựa ABS) và Polylactic Acid (nhựa PLA). Một số máy in chỉ nhận nhựa ABS, một số loại khác sử dụng được cả hai. Các vật liệu nhựa đầu vào này có dạng sợi, chiều rộng 1,75mm hoặc 3mm.

Nhựa ABS thường được sử dụng để tạo ra đồ chơi Lego. Đây là loại nhựa có gốc hóa học, hoạt hóa ở nhiệt độ cao. Nhựa PLA thì có nguồn gốc tự nhiên, chẳng hạn như từ ngô và mía, cứng và bóng hơn nhựa ABS. Ngoài việc dùng làm nguyên liệu đầu vào cho máy in 3D, nhựa PLA còn được ứng dụng để sản xuất các loại bao bì phân hủy được.

Sợi nhựa dùng cho máy in 3D có giá thành khá đắt. Hãng MakerBot bán 2,2 pound (990 gram) sợi nhựa PLA giá 48 USD (960.000 đồng). Nếu tìm mua trên eBay giá thành sẽ rẻ bằng một nửa. Hãng này ước tính 990 gram sợi nhựa có thể in ra được 392 quân cờ vua.

Giá thành sợi nhựa sẽ giảm xuống nếu các loại máy in 3D trở nên phổ biến và sợi nhựa được sản xuất với quy mô lớn. Có một cách khác để giảm giá thành đầu vào là bạn sử dụng máy ép sợi nhựa. Bạn đưa nguyên liệu nhựa tái chế hoặc nhựa giá rẻ vào máy ép để tạo ra các sợi nhựa.

Khi đã có sợi nhựa, bạn đưa vào máy in 3D qua một bộ phận gọi là đầu in (print head). Đầu in có hình dáng như một chiếc hộp với một vòi phun. Một cơ cấu truyền động sẽ đẩy từng phần nhựa xuống đầu in. Trước khi nhựa bị đùn ra từ đầu kim in, sợi nhựa phải đi qua một ống nhiệt và hóa lỏng. Nhựa qua đầu kim in là những đường chỉ siêu mảnh chỉ 0,1 milimet. Ngay khi ra ngoài không khí, nhựa khô cứng rất nhanh, gắn lại với nhau tạo thành các lớp.

Nhựa ABS cần được in ở một bề mặt nóng, điều này cũng đồng nghĩa với lớp nhựa đáy sẽ hơi cuộn lại. Còn nhựa PLA có thể in ở bề mặt không cần nhiệt lượng.

Phần lớn các máy in 3D có một đầu in, tức là vật thể in ra chỉ có một màu. Muốn có nhiều hơn một màu, người ta sẽ phải đổi sợi nhựa trong quá trình in. Có một số loại máy in, chẳng hạn như loại máy in mới nhất của MakerBot ký hiệu là Replicator 2x có 2 đầu in. Nó cho phép người ta in ra vật thể với hai màu. Công ty botObjects có trụ sở ở New York còn hứa hẹn sẽ cho ra thị trường loại máy in có khả năng trộn các sợi nhựa để in ra được vật thể đầy đủ các màu.

In từ trước ra sau, lớp chồng lớp

In 3D là một công nghệ in theo lớp. Bề mặt in (thường gọi là giường in) và đầu in sẽ phối hợp với nhau để thực hiện in 3 chiều. Ở mẫu máy in Replicator 2, đầu in được giữ bởi một hệ thống treo (hình minh họa bên dưới). 2 thanh kim loại nằm ngang giúp cho đầu in chuyển động tiến và lùi theo chiều ngang. Ở đầu 2 thanh kim loại này lại gắn với 2 thanh khác theo chiều dọc, giúp cho đầu in chuyển động tiến và lùi theo chiều dọc. Nhờ hệ thống treo, đầu in còn có thể chuyển động lên xuống tạo ra vật thể 3 chiều.

Một mẫu máy in có tên là RepRaps lại có cách in 3D tương đối khác so với Replicator 2. Giường in của RepRaps chuyển động lên xuống, tiến lùi, trong khi đầu in chỉ chuyển động ngang. Mẫu máy in DeltaMaker có đầu in chuyển động cả 3 chiều.

Quá trình in 3D có thể diễn ra trong vài phút, vài giờ hoặc thậm chí nhiều ngày phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của sản phẩm. Ví dụ gần đây một số nghệ sĩ đã sử dụng máy in Type A Machines để in tác phẩm điêu khắc đầu rồng có kích thước 3 x 3 x 2,4m. Họ đã phải mất tới 2 tháng để hoàn thành tác phẩm trên.

Máy in 3D không chỉ in nhựa

Không phải máy in 3D nào cũng sử dụng nguyên liệu in như nhau. Các máy in 3D chuyên nghiệp có khả năng tạo ra những sản phẩm chất lượng cao từ các nguyên liệu đa dạng. Ở công xưởng Shapeways, những chiếc máy in 3D kích thước lớn tạo ra nhiều sản phẩm cùng lúc. Nguyên liệu không chỉ giới hạn ở nhựa ABS và PLA. Nó có thể là đồng thau, gốm sứ, thép và 5 loại chất dẻo khác.

Một số loại máy in 3D sử dụng công nghệ đúc laser, tức là sử dụng laser để gắn kết các mảnh vật liệu lại với nhau. Một số bằng sáng chế về đúc laser sẽ hết hạn vào năm tới, mở đường cho việc sản xuất hàng loạt các máy in 3D dành cho người tiêu dùng.

Form1 của phòng thí nghiệm FormLabs là một mẫu máy in sử dụng công nghệ in phi truyền thống tân tiến nhất sẽ sớm được thương mại hóa. Các máy in kim loại và máy in lai (giữa in truyền thống và phi truyền thống) sẽ là những thiết bị kế tiếp có mặt trên thị trường tiêu dùng.