Trang thông tin điện tử Trung tâm NC&PT hội nhập KH&CN quốc tế gửi tới quý đọc giả nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D. Bài báo được trình bày tại hội nghị quốc tế về sản xuất chế tạo vật liệu bền vững
In 3D có thể tạo ra các đối tượng vật lý từ một biểu diễn hình học bằng cách bổ sung liên tiếp vật liệu. Quá trình 3D này đã có nhiều trải nghiệm mở rộng đáng kinh ngạc trong những năm gần đây. Lần đầu tiên được thương mại hóa quy trình in 3D vào năm 1980 bởi Charles Hull. Hiện tại, in 3D chủ yếu được sử dụng để sản xuất máy bơm tim nhân tạo, bộ sưu tập đồ trang sức, in 3D giác mạc, động cơ tên lửa PGA, cầu thép ở Amsterdam và các sản phẩm khác liên quan đến ngành hàng không cũng như ngành công nghiệp thực phẩm.
Công nghệ in 3D có nguồn gốc từ công nghệ chế tạo từng lớp các cấu trúc ba chiều (3D) trực tiếp từ bản vẽ thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD). Công nghệ in 3D là một sự đổi mới thực sự và đã nổi lên như một giai đoạn công nghệ đa năng. Nó mở ra những cơ hội mới và mang lại hy vọng về nhiều khả năng cho các công ty đang tìm cách nâng cao hiệu quả sản xuất. Nhựa nhiệt dẻo thông thường, gốm sứ, vật liệu làm từ graphene và kim loại là những vật liệu có thể được in hiện nay bằng công nghệ in 3D. Công nghệ in 3D có tiềm năng cách mạng hóa các ngành công nghiệp và thay đổi dây chuyền sản xuất. Việc áp dụng công nghệ in 3D sẽ tăng tốc độ sản xuất đồng thời giảm chi phí. Đồng thời, nhu cầu của người tiêu dùng sẽ ảnh hưởng nhiều hơn đến sản xuất. Người tiêu dùng có đầu vào lớn hơn trong sản phẩm cuối cùng và có thể yêu cầu sản xuất để phù hợp với thông số kỹ thuật của họ. Đồng thời, các cơ sở công nghệ in 3D sẽ được đặt gần hơn với người tiêu dùng, cho phép quy trình sản xuất linh hoạt và nhạy bén hơn, cũng như kiểm soát chất lượng tốt hơn. Hơn nữa, khi sử dụng công nghệ in 3D, nhu cầu vận chuyển toàn cầu giảm đáng kể. Điều này là do, khi các địa điểm sản xuất nằm gần điểm đến cuối cùng, tất cả việc phân phối có thể được thực hiện với công nghệ theo dõi đội xe giúp tiết kiệm năng lượng và thời gian. Cuối cùng, việc áp dụng công nghệ in 3D có thể thay đổi hoạt động hậu cần của công ty. Bộ phận hậu cần của các công ty có thể quản lý toàn bộ quá trình, cung cấp các dịch vụ toàn diện hơn và từ đầu đến cuối.
Ngày nay, in 3D được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Công nghệ in 3D ngày càng được sử dụng rộng rãi để tùy chỉnh hàng loạt, sản xuất bất kỳ loại thiết kế mã nguồn mở nào trong lĩnh vực nông nghiệp, chăm sóc sức khỏe, công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.
Đồng thời, có một số nhược điểm khi áp dụng công nghệ in 3D trong ngành sản xuất. Ví dụ, hiệu quả của việc sử dụng công nghệ in 3D là sẽ giảm việc sử dụng lao động sản xuất, do đó tự động sẽ ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế của các quốc gia dựa vào một số lượng lớn các công việc kỹ năng thấp. Hơn nữa, bằng cách sử dụng công nghệ in 3D, người dùng có thể in nhiều loại đồ vật khác nhau như dao, súng và các vật dụng nguy hiểm. Do đó, việc sử dụng in 3D chỉ nên được giới hạn ở một số người nhất định để ngăn chặn những kẻ khủng bố và tội phạm mang theo súng mà không bị phát hiện. Đồng thời, những người nắm được bản thiết kế sẽ có thể làm giả sản phẩm một cách dễ dàng. Điều này là do, việc sử dụng công nghệ in 3D rất đơn giản, chỉ cần phác thảo và thiết lập dữ liệu trong máy in để các đối tượng 3D có thể tạo ra.
Tóm lại, công nghệ in 3D đã xuất hiện trong những năm gần đây như một kỹ thuật linh hoạt và mạnh mẽ trong ngành sản xuất tiên tiến. Công nghệ này đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia, đặc biệt là trong ngành sản xuất.
Nhiều loại công nghệ in 3D đã được phát triển với các chức năng khác nhau. Theo Tiêu chuẩn ASTM F2792, ASTM đã phân loại công nghệ in 3D thành bảy nhóm, bao gồm phản lực liên kết, lắng đọng năng lượng có hướng, đùn vật liệu, phun vật liệu, phản ứng tổng hợp bột, cán tấm và quang hóa thùng. Không có cuộc tranh luận nào về máy móc hoặc công nghệ nào hoạt động tốt hơn vì mỗi máy đều có các ứng dụng được nhắm mục tiêu. Ngày nay, công nghệ in 3D không còn giới hạn trong việc sử dụng tạo mẫu mà ngày càng được sử dụng để tạo ra nhiều loại sản phẩm.
2.1. Phun chất kết dính
Phun chất kết dính là một quá trình tạo mẫu nhanh và in 3D, trong đó chất liên kết lỏng được lắng đọng một cách chọn lọc để liên kết với các hạt bột. Công nghệ phun chất kết dính sử dụng chất kết dính hóa học phun lên bột trải để tạo thành lớp. Ứng dụng của máy phun chất kết dính sẽ là sản xuất các mẫu đúc, sản phẩm thiêu kết thô hoặc các sản phẩm có khối lượng lớn tương tự từ cát. Máy phun chất kết dính có thể in nhiều loại vật liệu bao gồm kim loại, cát, polyme, hybrid và gốm sứ. Một số vật liệu như cát không cần xử lý thêm. Hơn nữa, quá trình phun chất kết dính rất đơn giản, nhanh chóng và rẻ tiền vì các hạt bột được dán lại với nhau. Cuối cùng, phun chất kết dính cũng có khả năng in các sản phẩm rất lớn.
2.2. Lắng đọng năng lượng theo hướng
Lắng đọng năng lượng theo hướng là một quá trình in phức tạp hơn thường được sử dụng để sửa chữa hoặc thêm vật liệu bổ sung vào các thành phần hiện có. Sự lắng đọng năng lượng định hướng có khả năng kiểm soát cấu trúc hạt ở mức độ cao và có thể tạo ra chất lượng tốt của vật thể Quá trình lắng đọng năng lượng theo hướng về nguyên tắc tương tự như quá trình đùn vật liệu, nhưng vòi phun không cố định vào một trục cụ thể và có thể di chuyển theo nhiều hướng. Hơn nữa, quy trình này có thể được sử dụng với gốm sứ, polyme nhưng thường được sử dụng với kim loại và vật liệu lai dựa trên kim loại, ở dạng dây hoặc bột. Ví dụ của công nghệ này là lắng đọng bằng laser và tạo hình lưới được thiết kế bằng laser (LENS). Lắng đọng bằng laser là công nghệ mới nổi và có thể được sử dụng để sản xuất hoặc sửa chữa các bộ phận được đo bằng milimet đến mét. Công nghệ lắng đọng laser đang thu hút được sự chú ý trong các lĩnh vực công cụ, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ và dầu khí vì nó có thể cung cấp khả năng mở rộng và các khả năng đa dạng trong một hệ thống duy nhất. Trong khi đó, LENS laser có thể khai thác năng lượng nhiệt để nấu chảy trong quá trình đúc và các bộ phận được hoàn thiện sau đó.
2.3. Đùn vật liệu
Công nghệ in 3D dựa trên đùn vật liệu có thể được sử dụng để in nhiều vật liệu và in nhiều màu chất dẻo, thực phẩm hoặc tế bào sống. Quá trình này đã được sử dụng rộng rãi và chi phí rất thấp. Hơn nữa, quá trình này có thể xây dựng các bộ phận đầy đủ chức năng của sản phẩm. Mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM) là ví dụ đầu tiên về hệ thống đùn vật liệu. FDM được phát triển vào đầu năm 1990 và phương pháp này sử dụng polyme làm vật liệu chính. FDM xây dựng các bộ phận theo từng lớp từ dưới lên trên bằng cách nung nóng và đùn sợi nhựa nhiệt dẻo. Các hoạt động của FDM như sau:
2.4. Phun vật liệu
Theo Tiêu chuẩn ASTM, phun vật liệu là một quá trình in 3D trong đó từng giọt vật liệu xây dựng được lắng đọng một cách có chọn lọc. Trong quá trình phun vật liệu, đầu in phân phối các giọt vật liệu cảm quang đông đặc lại, xây dựng từng lớp một dưới ánh sáng cực tím (UV). Đồng thời, việc phun vật liệu tạo ra các bộ phận có bề mặt hoàn thiện rất mịn và độ chính xác về kích thước cao. In nhiều vật liệu và nhiều loại vật liệu như polyme, gốm sứ, composite, chất sinh học và vật liệu lai có sẵn trong máy phun vật liệu.
2.5. Gia công bồi đắp
Quá trình nung chảy lớp bột bao gồm nung chảy chùm điện tử (EBM), thiêu kết laser chọn lọc (SLS) và kỹ thuật in thiêu kết nhiệt chọn lọc (SHS). Phương pháp này sử dụng chùm tia điện tử hoặc tia laze để làm tan chảy hoặc hợp nhất bột vật liệu với nhau. Ví dụ về các vật liệu được sử dụng trong quá trình này là kim loại, gốm sứ, polyme, composite và hybrid. Công nghệ thiêu kết laser chọn lọc (SLS) là ví dụ chính của công nghệ in 3D dựa trên bột. Carl Deckard đã phát triển công nghệ SLS vào năm 1987. SLS là công nghệ in 3D có chức năng với tốc độ nhanh, độ chính xác cao và thay đổi độ hoàn thiện bề mặt. Quá trình thiêu kết chọn lọc bằng laser có thể được sử dụng để tạo ra các vật thể bằng kim loại, nhựa và gốm . SLS đã sử dụng tia laser công suất cao để thiêu kết bột polyme để tạo ra sản phẩm 3D. Trong khi đó, công nghệ SHS là một phần khác của công nghệ In 3D sử dụng đầu in nhiệt trong quá trình làm tan chảy bột nhựa nhiệt dẻo để tạo ra vật thể in 3D. Cuối cùng là sự nóng chảy của chùm điện tử tăng cường một nguồn năng lượng để làm nóng vật liệu.
2.6. Cán tấm
Theo định nghĩa của ASTM, cán tấm là quá trình in 3D trong đó các tấm vật liệu được liên kết với nhau để tạo ra một phần của vật thể. Ví dụ về công nghệ in 3D sử dụng quy trình này là sản xuất vật thể nhiều lớp (LOM) và sản xuất phụ gia siêu âm (UAM). Ưu điểm của quy trình này là cán tấm có thể tạo ra bản in đủ màu, tương đối rẻ, dễ xử lý vật liệu và vật liệu thừa có thể được tái chế. Chế tạo vật thể nhiều lớp (LOM) có khả năng sản xuất các bộ phận hình học phức tạp với chi phí chế tạo thấp hơn và thời gian vận hành ít hơn. Sản xuất phụ gia siêu âm (UAM) là một công nghệ quy trình sáng tạo sử dụng âm thanh để hợp nhất các lớp kim loại được rút ra từ giấy bạc đặc biệt
Kỹ thuật in 3D chính thường được sử dụng là bồn chứa polime hóa, nói chung đề cập đến việc đóng rắn các polyme phản ứng quang bằng cách sử dụng tia laser, ánh sáng hoặc tia cực tím (UV). Ví dụ về công nghệ in 3D bằng cách sử dụng quang tạo là kỹ thuật in lập thể (SLA) và xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP). Trong SLA, nó bị ảnh hưởng bởi bộ khởi tạo ảnh và các điều kiện tiếp xúc cụ thể của bức xạ cũng như bất kỳ thuốc nhuộm, chất màu hoặc chất hấp thụ tia cực tím nào khác . Trong khi đó, xử lý ánh sáng kỹ thuật số là một quá trình tương tự như Stereolithography hoạt động với photopolyme. Nguồn sáng là sự khác biệt chính. Quy trình ánh sáng kỹ thuật số sử dụng nguồn sáng thông thường hơn, chẳng hạn như đèn hồ quang với bảng hiển thị tinh thể lỏng. Nó có thể áp dụng cho toàn bộ bề mặt của thùng nhựa photopolymer trong một lần đi qua, thường làm cho nó nhanh hơn so với Stereolithography. Các thông số quan trọng của bồn chứa polymer hóa là thời gian tiếp xúc, bước sóng và lượng điện cung cấp. Các vật liệu được sử dụng ban đầu là chất lỏng và nó sẽ cứng lại khi chất lỏng tiếp xúc với tia cực tím. Photopolymerization thích hợp để tạo ra một sản phẩm cao cấp với các chi tiết tốt và chất lượng bề mặt cao.
Giống như bất kỳ quy trình sản xuất nào, in 3D cần vật liệu chất lượng cao đáp ứng các thông số kỹ thuật nhất quán để tạo ra các thiết bị chất lượng cao nhất quán. Để đảm bảo điều này, các thủ tục, yêu cầu và thỏa thuận kiểm soát vật liệu được thiết lập giữa nhà cung cấp, người mua và người sử dụng cuối cùng của vật liệu. Công nghệ in 3D có khả năng sản xuất các bộ phận đầy đủ chức năng trong nhiều loại vật liệu bao gồm gốm, kim loại, polyme và sự kết hợp của chúng dưới dạng vật liệu lai, vật liệu tổng hợp hoặc vật liệu phân loại chức năng (FGM).
3.1. Kim loại
Công nghệ in 3D kim loại được nhiều người quan tâm trong ngành công nghiệp sản xuất và hàng không vũ trụ, ô tô, y tế vì những ưu điểm hiện có của quy trình này. Các vật liệu kim loại có các đặc tính vật lý tuyệt vời và vật liệu này có thể được sử dụng cho các nhà sản xuất phức tạp từ in ấn các bộ phận cơ thể người đến các bộ phận hàng không vũ trụ. Các ví dụ về vật liệu này là hợp kim nhôm, hợp kim dựa trên coban, hợp kim niken, thép không gỉ, và hợp kim titan. Hợp kim dựa trên coban thích hợp để sử dụng trong ứng dụng nha khoa in 3D. Điều này là do, nó có độ cứng riêng cao, khả năng đàn hồi, khả năng phục hồi cao, kéo dài và các điều kiện xử lý nhiệt. Hơn nữa, công nghệ in 3D có khả năng sản xuất các bộ phận hàng không vũ trụ bằng cách sử dụng các hợp kim cơ bản niken. Vật thể in 3D được sản xuất bằng cách sử dụng hợp kim cơ bản niken có thể được sử dụng trong môi trường nguy hiểm. Điều này là do, nó có khả năng chống ăn mòn cao và nhiệt độ nhiệt có thể chịu được lên đến 1200 ° C. Cuối cùng, công nghệ in 3D cũng có thể in ra vật thể bằng cách sử dụng các hợp kim titan. Hợp kim titan với các đặc tính rất độc quyền, chẳng hạn như độ dẻo, ăn mòn tốt, chống oxy hóa và mật độ thấp. Nó được sử dụng trong ứng suất cao và nhiệt độ hoạt động cao và ứng suất cao, ví dụ như trong các bộ phận hàng không vũ trụ và công nghiệp y sinh.
3.2. Polyme
Công nghệ in 3D được sử dụng rộng rãi để sản xuất các thành phần polyme từ nguyên mẫu đến cấu trúc chức năng có dạng hình học khó. Bằng cách sử dụng mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM), nó có thể tạo thành một bản in 3D thông qua việc lắng đọng các lớp liên tiếp của sợi nhựa nhiệt dẻo ép đùn, chẳng hạn như axit polylactic (PLA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polypropylene (PP) hoặc polyethylene (PE). Gần đây, các sợi nhựa nhiệt dẻo có nhiệt độ nóng chảy cao hơn như PEEK và PMMA đã có thể được sử dụng làm vật liệu cho công nghệ in 3D. Vật liệu polyme in 3D ở trạng thái lỏng hoặc có nhiệt độ nóng chảy thấp được sử dụng rộng rãi trong ngành in 3D do giá thành rẻ, trọng lượng thấp và tính linh hoạt trong quá trình xử lý. Hầu hết, vật liệu polyme đóng vai trò quan trọng trong vật liệu sinh học và các sản phẩm thiết bị y tế thường là vật liệu trơ, bằng cách góp phần
đến hoạt động hiệu quả của các thiết bị cũng như hỗ trợ cơ học trong nhiều cấy ghép chỉnh hình .
3.3. Gốm sứ
Ngày nay, công nghệ in 3D có thể tạo ra vật thể in 3D bằng cách sử dụng gốm sứ và bê tông mà không có lỗ rỗng lớn hoặc bất kỳ vết nứt nào thông qua việc tối ưu hóa các thông số và thiết lập các đặc tính cơ học tốt. Gốm chắc chắn, bền và chống cháy. Do ở trạng thái lỏng trước khi đông kết, gốm sứ có thể được ứng dụng trên thực tế ở bất kỳ hình dạng và hình dạng nào và rất thích hợp cho việc tạo ra các công trình xây dựng trong tương lai. Vật liệu gốm sứ rất hữu ích trong ứng dụng nha khoa và hàng không vũ trụ. Các ví dụ về vật liệu này là alumin, kính hoạt tính sinh học và zirconia. Ví dụ, bột Alumina có tiềm năng được xử lý bằng công nghệ In 3D. Alumina là một oxit gốm tuyệt vời với rất nhiều ứng dụng, bao gồm chất xúc tác, chất hấp phụ, vi điện tử, hóa chất, công nghiệp hàng không vũ trụ và các ngành công nghệ cao khác . Alumina có độ phức tạp đóng rắn lớn. Bằng cách sử dụng công nghệ in 3D, các bộ phận alumin có hình dạng phức tạp có mật độ cao sau khi thiêu kết và cũng có mật độ xanh cao có thể được in. Hơn nữa, trong thí nghiệm liên tiếp, máy Stereolithographic (SLA) đã được sử dụng để xử lý gốm thủy tinh và thủy tinh hoạt tính sinh học thành phần khiêu vũ. Nó cải thiện đáng kể độ bền uốn của vật liệu này. Sự gia tăng độ bền cơ học sẽ mở ra tiềm năng ứng dụng kính hoạt tính sinh học trong cấu trúc lâm sàng liên quan như giá đỡ và xương. Bằng cách sử dụng Sản xuất gốm sứ lập thể (SLCM), có thể sản xuất gốm khối rắn với mật độ cao, cấu trúc vi mô rất đồng nhất, độ bền nén và độ uốn cao. Trong khi đó, zirconia là vật liệu xây dựng chính trong lĩnh vực điện hạt nhân, sử dụng cho các ống nguyên tố. Zirconi không chứa hafni rất thích hợp cho ứng dụng này vì nó có tính nhạy cảm với bức xạ thấp và cũng có khả năng hấp thụ nơtron nhiệt thấp.
3.4. Vật liệu tổng hợp
Vật liệu composite với đặc tính linh hoạt đặc biệt, trọng lượng thấp và có thể thay đổi được đã và đang cách mạng hóa các ngành công nghiệp hiệu suất cao. Các ví dụ về vật liệu composite là vật liệu tổng hợp polyme được gia cố bằng sợi carbon và vật liệu tổng hợp polyme được gia cố bằng sợi thủy tinh. Cấu trúc composite polyme gia cố bằng sợi carbon được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ vì độ cứng, độ bền riêng cao, khả năng chống ăn mòn tốt và hiệu suất mỏi tốt . Đồng thời, vật liệu tổng hợp polyme gia cường sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng khác nhau trong ứng dụng in 3D và có tiềm năng ứng dụng lớn do hiệu quả về chi phí và hiệu suất cao. Sợi thủy tinh có độ dẫn nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt tương đối thấp. Hơn nữa, sợi thủy tinh không thể cháy và nó không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đóng rắn được sử dụng trong quá trình sản xuất, do đó, nó rất thích hợp để sử dụng trong ứng dụng in 3D.
3.5. Vật liệu thông minh
Vật liệu thông minh được định nghĩa là vật liệu này có khả năng làm thay đổi hình dạng và hình dạng của vật thể, ảnh hưởng bởi điều kiện bên ngoài như nhiệt và nước. Ví dụ về vật thể in 3D được sản xuất bằng cách sử dụng các vật liệu thông minh là cấu trúc tự phát triển và hệ thống robot mềm. Vật liệu thông minh cũng có thể được phân loại là vật liệu in 4D. Các ví dụ về vật liệu thông minh nhóm là hợp kim bộ nhớ hình dạng và polyme bộ nhớ hình dạng. Một số hợp kim bộ nhớ hình dạng như niken-titan có thể được sử dụng trong cấy ghép y sinh vào ứng dụng thiết bị cơ điện vi mô. Trong quá trình sản xuất các sản phẩm in 3D bằng cách sử dụng niken-titan, nhiệt độ biến đổi, khả năng tái tạo của vi cấu trúc và mật độ là những vấn đề quan trọng. Trong khi đó, Polyme bộ nhớ hình dạng (SMP) là một loại vật liệu chức năng phản ứng với một kích thích như ánh sáng, nhiệt điện, một số loại hóa chất, v.v. Bằng cách sử dụng công nghệ in 3D, polyme bộ nhớ hình dạng có hình dạng phức tạp có thể được sản xuất một cách dễ dàng và thuận tiện. Việc đánh giá chất lượng của vật liệu này được thực hiện dựa trên độ chính xác về kích thước, độ nhám bề mặt và mật độ bộ phận.
Hết phần 1-
Phần 2 của bài nghiên cứu này sẽ được chuyển tới quý đọc giả ngày 11/07/2022
Nguồn: Trung tâm NC&PT hội nhập KH&CN liên kết và dịch nguồn tin Từ Cổng thông tin mạng học thuật sciencedirect
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2351978919308169
Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *
Bình luận
Tên *
Thư điện tử *
Trang web
