Chế tác bồi thêm: In khối

Đấy là trụ sở của 3D Systems, một hãng do Chuck Hull lập ra, trong một bằng sáng chế năm 1986 ông mô tả một hệ thống, do ông sáng chế để chế tạo các vật thể ba chiều, như “thuật in ba chiều-stereolithography”. Nó hoạt động bằng dùng một tia cực tím để làm rắn một lớp mỏng nhựa lỏng, hơi giống mực, và lặp lại quá trình bằng đưa thêm nhiều nhựa lỏng hơn. Các dạng khác của in 3 chiều (3D) đã nổi lên từ khi đó (xem bài), nhưng tất cả chúng đều hoạt động như một quá trình bồi thêm (additive), xây dựng các vật thể từng lớp một.

Việc in 3D khởi đầu đã được mường tượng như một cách để chế tạo các nguyên mẫu (prototype) một lần, nhưng khi công nghệ trở nên thành thục hơn thì nhiều thứ được in ra như các hàng hóa hoàn tất (một quy trình được biết đến như chế tác bồi thêm). Theo Terry Wohlers, người điều hành một hãng nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này, hiện tại khoảng 28% số tiền được chi tiêu cho in các thứ để làm sản phẩm cuối cùng. Ông tiên đoán tỷ lệ này sẽ tăng lên hơn 50% vào năm 2016 và hơn 80% vào năm 2020. Nhưng nó chẳng bao giờ đạt 100%, ông nghĩ, bởi vì khả năng để chế tạo nguyên mẫu nhanh và rẻ sẽ vẫn là một phần quan trọng.

Có một không hai

Chế tạo các nguyên mẫu một lần có thể đắt kinh khủng, nhưng một 3D printer có thể kéo chi phí xuống rất nhiều. Nhiều mặt hàng tiêu dùng, các bộ phận cơ khí, giày và các mô hình của các kiến trúc sư bây giờ xuất hiện dưới dạng được in 3D cho việc đánh giá của các kỹ sư, các nhà tạo mẫu (stylist) và các khách hàng trước khi tiến hành tiếp. Bất cứ sự thay đổi nào có thể được in lại mau lẹ trong vài giờ hay qua đêm, trong khi đợi một nguyên mẫu mới ló ra từ một xưởng máy có thể tốn hàng tuần. Một số nhà thiết kế đang in rồi các đôi giầy và quần áo mặc ngay được từ các vật liệu nhựa và nylon. Iris van Herpen, một nhà thiết kế mẫu thời trang Hà Lan, đã chế tạo các bộ sưu tập nổi bật cho các sàn diễn. Vẫn chưa ai có thể in da thuộc, nhưng họ đang nghiên cứu làm việc đó.

Vì hầu như không có tiết kiệm theo quy mô (economies of scale) nào trong chế tác bồi thêm, công nghệ phù hợp một cách lý tưởng cho sản xuất số lượng ít. Nó cũng cho phép chế tạo các bộ phận hoàn tất được tùy chỉnh theo đơn hàng của khách. Hàng triệu mão răng (dental crowns) và vòm ốc cho các máy trợ thính được chế tạo từng cái một (cho hợp vòm hốc tai của mỗi người) bằng các máy in 3D.

Được giải thoát khỏi các ràng buộc của các nhà máy truyền thống, chế tác bồi thêm cho phép các nhà thiết kế tạo ra các thứ mà trước đây được coi là quá phức tạp để chế tạo một cách kinh tế. Đó đã có thể vì các lý do thẩm mỹ, nhưng các kỹ sư cũng tìm thấy các ứng dụng thực tiễn nữa. Thí dụ, các chất lỏng chảy hiệu quả hơn qua các kênh tròn nhẵn hơn là chảy quanh các góc sắc cạnh, nhưng rất khó để chế tạo các kênh như vậy bên trong một kết cấu kim loại bằng các phương tiện truyền thống, trong khi một máy in 3D có thể làm việc đó dễ dàng. 3T RPD, một hãng Anh chào mời các dịch vụ chế tác bồi thêm, đã in một hộp số cho một chiếc xe đua với các đường dẫn nội tại nhẵn cho dầu thủy lực thay cho các đường uốn vuông góc được khoan xuyên. Hộp số không chỉ cho phép đổi số nhanh hơn mà cũng nhẹ hơn khoảng 30%, Ian Halliday, giám đốc của hãng, nói. Một máy bay chiến đấu Boeing F-18 chứa nhiều bộ phận được in như các đường ống khí, vì các lý do tương tự.

Tiết kiệm trọng lượng là phần hấp dẫn của các bộ phận được in 3D. Với các vật thể được xây dựng từng lớp một, có khả năng dùng chỉ đúng lượng vật liệu để làm cho bộ phận hoạt động. Chế tạo các thứ trong một nhà máy truyền thống đòi hỏi thêm các mép bích và các giá đỡ sao cho các vật thể có thể được cầm nắm, phay và đúc bằng các máy công cụ, và tạo ra các bề mặt cho các bộ phận được chốt hay hàn lại với nhau. Một máy in 3D có khả năng in các thứ như một bộ phận hoàn chỉnh mà không cần lắp ráp. Thậm chí có thể chế tạo các vật thể cơ khí với các bộ phận chuyển động một lèo.

Việc này hứa hẹn các khoản tiết kiệm lớn về chi phí vật liệu. Trong công nghiệp hàng không vũ trụ các bộ phận kim loại thường được chế tạo từ một thanh titan đặc hảo hạng rất đắt tiền. Điều này có thể có nghĩa rằng 90% vật liệu bị cắt bỏ, và phoi bào là vô ích cho việc chế tạo máy bay. Tuy vậy, bột titan có thể được dùng để in các thứ như một giá cho cửa máy bay hay bộ phận của một vệ tinh. Những cái này có thể vững chắc như bộ phận được chế tạo bằng cắt gọt nhưng chỉ dùng 10% nguyên liệu, theo các nhà nghiên cứu tại EADS, consortium hàng không vũ trụ Âu châu mà là công ty mẹ của Airbus.

Khả năng để tạo ra các thiết kế hết sức phức tạp với phần mềm máy tính hùng mạnh và chuyển chúng thành các vật thể thực tế với việc in 3D đang tạo ra một ngôn ngữ thiết kế mới. Các món được in 3 chiều thường có dáng nhìn hữu cơ, tự nhiên. “Tự nhiên đã tìm ra một số thiết kế rất hiệu quả, và thường là tốt đi bắt chước chúng,” Wim Michiels, phó chủ tịch của Materialise, một hãng Bỉ sử dụng chế tác bồi thêm để chế tạo hàng loạt sản phẩm, kể cả các dụng cụ y tế, nói. Bằng cách kết hợp kết cấu bên trong tinh vi, giống mạng (tổ ong) của xương tự nhiên, vào miếng xương kim loại thay thế, chẳng hạn, có thể làm cho nó nhẹ hơn miếng được cắt gọt bằng máy rất nhiều mà không mất độ bền chắc, tích hợp dễ hơn với xương của chính bệnh nhân và có thể được làm một cách chính xác để hợp với bệnh nhân dự kiến. Năm vừa rồi các bác sĩ phẫu thuật Hà Lan đã in một xương quai hàm mới bằng titan cho một phụ nữ bị nhiễm trùng xương mãn tính.

Bây giờ nhiều công ty đang muốn biết về tác động mà chế tác bồi thêm sẽ có đối với việc kinh doanh của họ. Một số coi công nghệ này rất nghiêm túc; GE, vì một lý do, đang khám phá có thể dùng việc in 3D như thế nào trong mọi hoạt động của nó. Nó đã có một sản phẩm trong quá trình, ở dạng của một máy quét (scanner) siêu âm nhỏ. Các scanner như vậy được các bác sỹ sử dụng để tạo ra một bức ảnh về các đặc tính ở bên trong cơ thể, như đứa trẻ chưa đẻ. Kích thước, trọng lượng và giá thành của bảng lấy ảnh đã giảm nhiều, nhưng đầu dò được đặt trên cơ thể về cơ bản vẫn không thay đổi và hiện nay là phần đắt nhất của hệ thống. Đầu dò phát các xung siêu âm và nhận các tín hiệu phản xạ lại, sử dụng chúng để tạo ra các ảnh. Nó chứa các kết cấu áp điện (piezoelectric: biến áp suất thành điện) nhỏ xíu mà được chế tạo bằng vi-cắt gọt rất cẩn thận một khối vật liệu gốm rất dễ vỡ.

Bây giờ GE đã phát triển một hệ thống bồi thêm để in bộ biến năng đó của đầu dò. Việc này sẽ làm giảm rất nhiều chi phí sản xuất và cho phép phát triển các scanner xách tay rẻ tiền, không chỉ cho y tế mà cho cả việc kiểm tra hàng không vũ trụ và các kết cấu công nghiệp để tìm ra các vết nứt.

Lặp lại theo tôi

Công nghệ này có thể đi xa đến đâu? Idelchik, từ GE Global Research, đặt tầm nhìn của mình cao: “Một ngày nào đó chúng tôi sẽ in một động cơ.” Nhưng nhiều nhà chế tạo, như GE và Rolls-Royce, tin rằng dạng nào đó của hệ thống in lai ghép sẽ nổi lên. Hệ thống này sẽ tạo ra sự phác họa của một hình thù, như thế tiết kiệm vật liệu, mà sau đó được cắt gọt chính xác.

Replicator (Bộ sao), một hệ thống chế tác nhanh robotic do Cybaman Technologies, một hãng Anh, chế tạo, đã đến rất gần đích. Có kích thước một chiếc tủ lạnh lớn, nó có cả khả năng chế tác cắt gọt (subtractive) và bồi thêm (additive). Nó sử dụng một hệ thống lắng dựa vào laser để tạo hình thù cơ bản mà được hoàn tất bằng cắt gọt chính xác. Replicator, như hợp với tên (bộ sao chép) của nó, cũng có khả năng kỹ thuật đảo ngược (reverse engineering) bằng cách quét số một đối tượng đặt bên trong nó để tạo ra dữ liệu cần thiết để xây dựng một bản sao chính xác.

Replicator là gần như công nghệ hiện tại có thể tiến đến bộ sao từ xa (teleporter) của khoa học viễn tưởng. Nó có thể quét một vật thể ở một nơi và bảo một máy khác ở nửa kia của trái đất làm thế nào để tạo ra một bản sao. Điều đó có nghĩa, chẳng hạn, rằng các bộ phận thay thế cần khẩn cấp có thể được chế tạo ở các nơi xa xôi mà không cần phải chuyên chở bất cứ thứ gì. Ngay cả các bộ phận không còn sẵn có nữa cũng có thể được tái tạo, bằng quét phần bị vỡ, sửa nó bằng máy tính và sau đó in một bản mới. Cơ hội là, tuy vậy, sẽ có các thư viện số trực tuyến cho các bộ phận và sản phẩm không còn có sẵn nữa. Hệt như sự nổi lên của các sách điện tử có nghĩa là các cuốn sách có thể chẳng bao giờ còn ở nhà in, các bộ phận luôn luôn vẫn sẵn có. Các thợ sửa chữa cơ khí có thể có các máy in 3D xách tay trong xe tải của họ, hay các cửa hàng bán máy có thể chào các dịch vụ in bộ phận (để thay).

Các máy in 3D sẽ cũng là vô giá ở các vùng hẻo lánh. Deon de Beer từ Đại học Công nghệ Vaal gần Johannesburg đang tiến hành một dự án được gọi là Idea 2 Product Lab mà nó dùng các máy in 3D rẻ tiền cho đào tạo và nhen lên sự quan tâm đến thiết kế và chế tác giữa các sinh viên. Khi dựng một lab (phòng thí nghiệm) tương tự tại khu phụ của đại học tại Upington, một vùng phần lớn là nông thôn ở Miền Bắc Cape, nhóm của ông thấy thiếu một cờ lê phẳng loại đặc biệt. Thay cho đợi nhiều ngày để đúng dụng cụ ấy được gửi tới, họ đã in một chiếc và hoàn tất công việc.

Thay cho một chiếc cờ lê, đấy có thể là một bộ phận nhựa nhỏ, có lẽ để sửa chữa một thiết bị trong một bệnh viện địa phương hay để sửa một máy nông nghiệp, Mr de Beer nói. Ông tin các máy in 3D có thể “tạo ra một dòng giống mới của các kỹ sư cơ khí”, đặc biệt ở các vùng nông thôn.

 
Một số người đã có máy in 3D ở nhà rồi. Giá hệ thống in 3D công nghiệp khởi đầu vào khoảng $15.000 và lên đến hơn 1 triệu $, Wohlers nói. Nhưng các máy để bàn rẻ hơn đang tạo ra một thị trường hoàn toàn mới (xem hình 5). Đấy là các hobbyist (người thú say mê), những người thích tự làm, những người thích mày mò, các nhà sáng chế, các nhà nghiên cứu và các nhà khinh doanh khởi nghiệp. Một số hệ thống in 3D có thể được xây dựng từ các bộ đồ lề (kit) và sử dụng phần mềm nguồn mở. Nhưng các nhà sản xuất lớn về máy in 3D cũng đang bước vào thị trường.

3D Systems, hãng sản xuất các máy chế tạo nguyên mẫu và máy công nghiệp, bây giờ đang tung ra một dải các máy in 3D nhỏ, được gọi là Cube, mà có thể chế tạo các thứ như đồ chơi, các quân cờ và các đồ trang trí. Chúng được phát triển cùng với một platform trực tuyến được gọi là Cubify để cung cấp các dịch vụ cho một cộng đồng người dùng. Có giá $1.299, Cube in bằng cách đặt một lớp mỏng vật liệu từ hộp (mực), có màu sắc khác nhau. Cái này cứng lại như một chất nhựa cứng. Chúng có thể tạo ra các bộ phận lớn đến 5,5 inch (140mm) với chi phí điển hình về vật liệu khoảng $3,5. Chất lượng chưa đạt chất lượng của máy in công nghiệp, nhưng đủ tốt cho nhiều người. Các tác phẩm chất lượng cao có thể tải lên để nhờ dịch vụ in trực tuyến của Cubify.

Dải sản phẩm mới không chỉ về in các thứ, Abe Reichental, giám đốc 3D Systems, nói. Nó cũng là về đơn giản hóa quá trình tạo ra các sản phẩm và để cho người dân sử dụng sức mạnh của web để chia sẻ các ý tưởng. “Đấy là một cuộc cách mạng chế tác cá nhân,” ông nói.

* Vật liệu: Tiến lên phía trước
http://tiasang.com.vn/Default.aspx?tabid=114&News=5559&CategoryID=7