Xu hướng công nghệ tương lai: Chế tạo đắp dần/in 3D

Việc bổ sung vật liệu theo cách tăng dần để tạo ra một sản phẩm có hình dạng là một cách tiếp cận chưa từng có đối với ngành chế tạo, điều này có thể dẫn đến các mô hình kinh doanh mới và những thay đổi quan trọng đối với các ngành công nghiệp hiện tại. Tuy nhiên, công nghệ này phải vượt qua được một loạt các thách thức, về cả kỹ thuật và quy định để có thể lan tỏa trong các quy trình công nghiệp trên quy mô lớn.

Mô hình chế tạo mới

Ngành chế tạo công nghiệp hiện nay chủ yếu mang tính trừ (nghĩa là sản phẩm được chế tạo ra bằng cách sử dụng vật liệu và loại bỏ lượng dư thừa không cần thiết), hay hình thành (nghĩa là tạo hình cho vật liệu bằng cách sử dụng công cụ để định hình). Chế tạo đắp dần, hay chế tạo cộng (AM) - thường được gọi là in 3D - bao gồm các kỹ thuật khác nhau để chế tạo sản phẩm bằng cách đắp thêm vật liệu theo lớp, thường sử dụng phần mềm thiết kế hỗ trợ bằng máy tính. Các công nghệ AM phổ biến nhất gồm có mô hình lắng đọng hợp nhất (fused deposition modelling - FDM), chế tạo sợi nóng chảy, công nghệ in bằng bản in đúc (stereolithography), xử lý ánh sáng kỹ thuật số và thiêu kết có chọn lọc bằng lazer.

Quy trình in 3D được sử dụng để chế tạo các mô hình, các mẫu hay các bộ phận gia công dựa trên vật liệu chất dẻo, kim loại, gốm sứ và thủy tinh. Một sự khác biệt giữa ba ứng dụng chính này đó là: sự tạo nguyên mẫu nhanh được sử dụng trong NC&PT phục vụ sản xuất mô hình và nguyên mẫu; gia công nhanh được áp dụng ở các giai đoạn sau trong phát triển sản phẩm; và chế tạo nhanh để sản xuất các bộ phận sử dụng cuối dùng các kỹ thuật chế tạo đắp lớp trực tiếp.

AM có triển vọng tăng công suất của quy trình sản xuất

Bắt đầu nghiên cứu chế tạo vào những năm 1980, trước đây AM được sử dụng chủ yếu để tạo các mô hình nguyên mẫu trực quan, có thể rút ngắn được giai đoạn thiết kế sản phẩm. Đây vẫn là một ứng dụng quan trọng cho đến ngày nay và việc tạo nguyên mẫu nhanh đang được sử dụng rộng rãi, bởi các kỹ sư, kiến trúc sư, nhà thiết kế, các chuyên gia y tế, cũng như trong lĩnh vực giáo dục và nghiên cứu. Gần đây hơn, khi vật liệu, độ chính xác và chất lượng tổng thể của kết quả đầu ra đã được cải thiện, in 3D đã mở rộng phạm vi ứng dụng. Ngày nay, các nguyên mẫu in bằng 3D phục vụ cho việc tra lắp và lắp ráp đang được phổ biến rộng rãi và chúng sẽ sớm trở nên có giá thành rẻ hơn và sản xuất nhanh hơn trong thập kỷ tới. Các phát triển công nghệ gần đây bao gồm nâng cao hiệu suất trong chế tạo máy và một phạm vi rộng các vật liệu ứng dụng thô. Các kỹ sư đang sử dụng ngày càng tăng các vật liệu composit (như chất dẻo gia cố bằng sợi) và các vật liệu được phân loại theo chức năng (bằng cách thay đổi cấu trúc vi mô với một gradien cụ thể).

Ước tính thị trường AM toàn cầu sẽ tăng trưởng với tốc độ hàng năm khoảng 20% từ 2014 đến 2020. Wohlers Associates (2014) ước tính doanh thu của các hệ thống và dịch vụ AM đạt 21 tỷ USD vào năm 2020. Khi các quy trình in 3D tiếp tục trưởng thành và phát triển, chúng có thể đáp ứng được nhiều nhu cầu quan trọng trên các thị trường công nghiệp, tiêu dùng và y tế. Nhìn chung, công nghệ AM có khả năng sinh lợi ở những nơi cần những số lượng nhỏ các sản phẩm phức tạp và được sản xuất theo yêu cầu khách hàng. công nghệ này cho phép linh hoạt trong thiết kế và có thể cá nhân hóa các mẫu và thành phần phức tạp.

AM dẫn tới đổi mới trong chăm sóc sức khỏe, y học và công nghệ sinh học

Công nghệ in 3D có khả năng mang lại những sản phẩm mới trong y tế, y học và công nghệ sinh học. Các ứng dụng nha khoa được hưởng lợi lớn nhất từ công nghệ in 3D trong lĩnh vực y tế. Các bộ phận răng giả, cấy ghép hông và tay giả (in sinh học hoặc kỹ thuật sinh học) cũng như các nguyên mẫu của bộ xương ngoài đã được đưa vào sử dụng. Máy in ADN và in các bộ phận và các cơ quan cơ thể từ chính các tế bào của bệnh nhân hiện đang trong quá trình phát triển. Các hệ thống sinh học không chỉ được in sinh học tương đồng với con người về mặt di truyền, mà chúng còn có thể phản ứng với sức ép bên ngoài như thể chúng là các bộ phận sống. Các chuyên gia kỹ thuật sinh học ước tính rằng thử nghiệm trên động vật có thể được thay thế bằng việc sử dụng các tế bào người in 3D vào năm 2018. Trong tương lai, những người có yêu cầu ăn kiêng cụ thể có thể in thực phẩm chức năng hoặc bổ sung dinh dưỡng của mình. Thịt được sản xuất bằng in 3D từ các tế bào sống cũng có thể là một lĩnh vực ứng dụng trong tương lai.

AM mang lại lợi ích cho gia công kim loại trong một loạt các lĩnh vực công nghiệp

Gia công kim loại dựa trên quy trình in 3D, như nóng chảy có chọn lọc bằng laser và nấu chảy chùm tia điện tử rất phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô, quốc phòng và hàng không. Nhiều linh kiện đã được sản xuất cho các ứng dụng vũ trụ với số lượng sẽ tiếp tục gia tăng cũng như độ phức tạp của chúng. Nghiên cứu sâu hơn về các hợp kim có thể có những tác động lâu dài đối với thăm dò vũ trụ, vì các thế hệ phi hành gia tương lai có thể in các thiết bị họ cần dựa trên vật liệu có trọng lượng nhẹ hơn khi phóng. Trong công nghệ năng lượng, AM đang ngày càng được sử dụng cho dịch vụ và bảo trì các bộ phận thay thế có độ phức tạp cao.

Số hoá gia tăng nhanh và mối quan tâm về môi trường sẽ ảnh hưởng đến nhu cầu về công nghệ AM

Việc số hóa công nghệ in 3D sẽ cho phép các quá trình thiết kế, chế tại và phân phối sản phẩm trở nên tích hợp và hiệu quả hơn. Do in 3D sẽ thúc đẩy chuyển tải số, lưu trữ, sáng tạo và sao chép sản phẩm, điều đó có tiềm năng làm thay đổi các mẫu hình làm việc và dẫn đến một cuộc cách mạng sản xuất. Các công ty sẽ bán thiết kế thay vì các sản phẩm thực. Việc đặt hàng sẽ là hành động tải một file kết quả cuối cùng, qua đó sẽ kích hoạt các quá trình chế tạo và giao hàng tự động, các công ty liên quan khác nhau có khả năng dễ dàng phối hợp.

In 3D cũng có thể bù đắp cho những tác động môi trường do các quy trình sản xuất truyền thống và các chuỗi cung ứng bằng cách làm giảm sản xuất chất thải. Việc chế tạo sản phẩm trực tiếp sử dụng công nghệ in có thể làm giảm số các bước cần thiết cho sản xuất, vận chuyển, lắp ráp và phân phối các linh kiện, giảm lượng nguyên vật liệu bị lãng phí so với các phương pháp sản xuất có tính trừ. Mặt khác, máy in sử dụng polyme bột hoặc nóng chảy vẫn để lại một số lượng nguyên liệu nhất định trên băng máy in thường không được sử dụng lại. Plastic được sử dụng phổ biến nhất cho in vật dụng trong nhà là acrylonitrile butadiene styrene (ABS) có thể tái chế. Các chất dẻo sinh học khác (như axit polylactic [PLA]) có khả năng phân huỷ sinh học mà không ảnh hưởng đến các tính chất nhiệt, cơ lý và gia công. Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây cho thấy tỷ lệ phát thải các hạt cực mịn của máy in sử dụng ABS và PLA là rất cao và có thể gây nguy hiểm cho sức khoẻ. Thông tin về những tác động sức khoẻ và môi trường của các vật liệu mới hơn như bột kim loại mịn, được sử dụng trong quá trình thiêu kết laser chọn lọc, vẫn còn khan hiếm. Tương tự như vậy, nghiên cứu về năng lượng nhúng trong các vật liệu, vết chân cacbon của chúng và khuynh hướng in thừa vật thể gây ra bởi tính đơn giản và phổ biến của công nghệ cần được chú ý hơn nữa.

Việc áp dụng AM rộng rãi vẫn còn phải đối mặt với nhiều trở ngại và rủi ro

Phạm vi các vật liệu sử dụng trong in 3D vẫn còn hạn chế và việc sử dụng chúng phụ thuộc vào các phương pháp và thiết bị in. Chất lượng và chi tiết bề mặt thường chưa đủ cho sử dụng cuối cùng và yêu cầu bước xử lý sau tốn kém. Các thiết bị in thông thường hoạt động chậm, rất khó giám sát chất lượng trong quá trình in, ngay cả khi đầu in ban đầu với các cảm biến tích hợp đã được phát triển.

Khi in 3D trở nên dễ tiếp cận hơn, các vấn đề luật pháp và quản lý xung quanh bảo vệ dữ liệu, trách nhiệm sản phẩm và sở hữu trí tuệ sẽ phải đi trước. Các ngành công nghiệp, nhà phát minh và chủ sở hữu nhãn hiệu hàng hoá đã phải đối mặt với những vi phạm quyền sở hữu trí tuệ đáng kể trong các lĩnh vực in ấn cá nhân và nguồn mở. In 3D có thể tạo khả năng phân quyền, vi phạm bản quyền chủ đạo, tương tự như vi phạm bản quyền sản phẩm trong số hoá âm nhạc, sách và phim ảnh. Việc thực thi quyền sở hữu là tốn kém (chi phí kiện tụng, xích mích xã hội), không minh bạch và thường tùy tiện. Các nhà quản lý có thể áp đặt những giới hạn nhất định đối với thiết kế kỹ thuật của máy in nhằm hạn chế việc vi phạm, mặc dù điều này có thể làm chậm sự đổi mới. Áp thuế đối với thiết bị hoặc nguyên liệu sẽ ảnh hưởng đến việc sử dụng hợp pháp các máy in 3D. Nghiên cứu hiện đang được tiến hành về kỹ thuật mốc mực nước để ngăn chặn vi phạm bản quyền.

Một trở ngại khác cần khắc phục là giá của các thiết bị in. Trong những năm gần đây, máy in cá nhân 3D đã xuất hiện trên thị trường tiêu dùng điện tử với giá phải chăng (dưới 1000 USD), trong khi đó các máy in 3D phức tạp hơn (ví dụ để gia công kim loại) thường được bán với giá hơn 1 triệu USD. Giá thành được dự đoán sẽ giảm nhanh trong những năm tới khi sản lượng tăng. Vẫn còn khó để dự đoán chính xác tốc độ triển khai công nghệ này, nhưng cuối cùng nó sẽ xâm nhập các quy trình sản xuất các loại sản phẩm khác nhau với số lượng lớn hơn.

Theo Vista.gov.vn