Một máy in cho cả thế giới

Nhờ thành quả lao động của nhà sáng chế người Mỹ Charles W. Hull, thường gọi là Chuck, những mong muốn này giờ đây có thể dễ dàng thực hiện. Chuck là người đặt nền móng cho công nghệ sản xuất máy in 3D có tính cách mạng. Cho đến nay, ông là người có trên 30 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ in 3D và cũng nhờ thành tích này mà ông được đề cử cho giải thưởng “Nhà sáng chế châu Âu”.

Một buổi tối năm 1983 khi Chuck Hull gọi điện thoại cho vợ, lúc đó đã khá muộn, bà đã chuẩn bị đi ngủ, đề nghị bà đến ngay phòng thí nghiệm của doanh nghiệp. Đã nhiều lần trong năm qua ông vời bà như vậy khi ông suốt ngày cặm cụi với cái máy mới của mình. Và bà đã in sản phẩm đầu tiên của mình: một cái khay bằng nhựa mầu nâu đậm với những cái gờ uốn lượn và nhiều lỗ trang trí. Không thật là hấp dẫn nhưng được cái tiện lợi, và đây chính là điều mà kỹ sư Hull quan tâm nhất.

Trong thâm tâm, ông muốn thông qua phát minh của mình hoàn thành nhanh chóng những chi tiết nhỏ bằng nhựa mà chúng thường được sử dụng như những nguyên mẫu trong các ngành công nghiệp khác nhau. Việc chế tạo những bộ phận đó có khi kéo dài nhiều ngày. Để làm cái khay nhựa, ông Hull chỉ mất 45 phút. Khi ông tự hào khoe với vợ về thành công của mình nhưng ông không thể lường hết ý nghĩa của chiếc máy in mới này.

Trong những năm 1970, Hull là kỹ sư vật lý và hoạt động trong lĩnh vực quang học. Ông là giám đốc kỹ thuật ở hãng Ultraviolet Products (UVP) ở California, chuyên dùng ánh sáng cực tím để gia cố lớp nhựa cảm quang cực mỏng để làm lớp che phủ, thí dụ để che phủ bảo vệ mặt bàn. Từ việc này, ông trăn trở với ý tưởng tại sao không sản xuất toàn bộ sản phẩm từ những lớp màng cực mỏng.

Tuy ông không thuyết phục được cấp trên cho phép tiến hành một dự án về vấn đề này nhưng dù sao lãnh đạo cũng để ông được làm việc ngoài giờ trong phòng thí nghiệm nhỏ của hãng.

Và Hull tha hồ mày mò nghiên cứu về việc có thể dùng vật liệu nào, nên xử lý như thế nào tốt nhất đối với Polymer và làm thế nào để thiết kế cả một cỗ máy. Ông viết một chương trình cho computer về điều khiển tia laser, đưa ánh sáng vào chỗ cần làm cho lớp nhựa cứng lại, nghĩa là tạo ra một chất liệu rắn, cứng mới.

Ông Hull nói “Suy nghĩ có tính quyết định ở đây là tạo ra những vật dụng được tích tụ từ nhiều lớp với nhau.” Tương tự như con người hiện nay đo CT, đo từng lớp, từng lớp, như vậy có nghĩa là những vật dụng có thể đã hình thành từ sự kết nối hết lớp này đến lớp khác.

Máy in nguyên mẫu đầu tiên của Hull là một bàn máy. Một tấm phẳng hạ xuống bể nhựa quang lỏng. Một tia laser-UV hoạt động như đầu một cái máy in phun mực quét đi quét lại vào vị trí sẽ trở thành một phần của một sản phẩm mới. Tại đây, chất nhựa sẽ đông cứng lại. Sau đó, mặt bàn lại hạ thấp xuống và chất nhựa lỏng sẽ lại bao phủ toàn bộ. Tia Laser lại quét đi quét lại để tạo ra một lớp phủ mới, lớp phủ này sẽ đông cứng lại và phủ lên lớp nhựa đã hình thành trước đó.

Cứ như vậy tạo thành một khối ba chiều ở sâu trong bể và cuối cùng chỉ cần phun rửa sạch là ra sản phẩm. Mẫu cho sản phẩm có thể là một bản vẽ 3D – CAD, nhưng cũng có thể – một khi chỉ cần chú ý đến hình dáng bên ngoài – thì có thể quét vòng quanh thí dụ một nhân vật nào đó, rồi tính toán qua computer để tạo ra một mẫu 3D.

Ông Hull không đặt tên cho công nghệ mới của mình là máy in 3D mà là in thành bản lập thể (Stereolithography). “Gọi như vậy nghe có vẻ vật lý hơn và cũng thể hiện được chất không gian ở cái tên đó”, nhà vật lý lý giải. Nhờ sự hỗ trợ của hãng, năm 1984, ông đã đăng ký bản quyền phát minh này, năm 1986 thì nhận được bằng sáng chế mang tên: EP0171069 “Method and apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography”.

Ông Hull kể, “Tiếc rằng doanh nghiệp không có khả năng đầu tư cho công nghệ mới này”. Nhưng do bản thân ông nhìn thấy tiềm năng và tin vào sự thành công, vả lại là người từ lâu đã quan tâm đến những vấn đề kinh doanh nên ông quyết định cùng với một đồng nghiệp thành lập doanh nghiệp của mình.

“Chúng tôi đã viết bản kế hoạch kinh doanh và trao đổi với các nhà đầu tư tiềm năng, nhưng vào giữa những năm tám mươi hầu như không có ai quan tâm đến hùn vốn liên doanh vào một công nghệ sản xuất mới, trào lưu thời đó là IT.” Cuối cùng công ty 3D Systems được thành lập ở Vancouver từ đó đến nay, Chuck Hull làm việc tại đây và 3D Systems cho đến nay luôn đứng hàng đầu trên thị trường thế giới về in 3D, với khoảng 1.000 công nhân và niêm yết trên thị trường chứng khoán công nghệ NASDAQ.

“Chúng tôi nhận được sự hưởng ứng như nhau từ ngành công nghiệp ô tô và ngành kỹ thuật y tế, những lĩnh vực mà việc sản xuất nguyên mẫu đóng một vai trò quan trọng, và chúng tôi đã thuyết phục được những hãng lớn làm khách hàng thử nghiệm cho model đầu tiên của mình, đó là Model SLA-1”, Hull kể lại. Đến năm 1988 thì cỗ máy đầu tiên đã chín muồi để có thể chào bán trên thị trường và từ năm 1993 thì thu được những khoản lợi nhuận đầu tiên.

Ý tưởng của Hull về thâm nhập chiều thứ ba bằng một máy in đã được nhiều người bắt chước. Ngày nay trên thị trường in 3D có tới hàng nghìn hãng tham gia, chào bán thiết bị, phụ tùng và dịch vụ in na ná nhau. Doanh nghiệp tư vấn Wohlers Associates ước đoán doanh thu của toàn ngành trên thị trường thế giới năm 2012 đạt khoảng 2 tỷ đôla Mỹ, sẽ tăng lên 3 tỷ trong năm 2016, và đạt 5 tỷ vào năm 2020. Với doanh thu năm gần đây nhất đạt nửa tỷ đôla, tăng trưởng hàng năm từ 40 đến 50% doanh nghiệp, 3D Systems vẫn luôn chiếm một thị phần đáng kể.

Trước khi công nghệ in 3D đạt được sự bùng nổ khôn lường thì doanh nghiệp của Chuck Hull cũng trải qua biết bao thăng trầm. Tuy nhiên công nghệ ngày càng phát triển nhanh hơn và với độ chính xác ngày càng lớn hơn, một phần cũng nhờ các công nghệ Laser mới. Ngày nay độ dày của các lớp có thể đạt ở mức 5 phần trăm của một milimet. Điều này cho phép tạo ra được những bộ phận ngày càng phức tạp hơn. Các nhà kỹ thuật tiến thành thử nghiệm đối với các nguyên liệu mới, trong đó có cả nguyên liệu sô-cô-la.

Giờ đây doanh nghiệp tung ra thị trường bảy loại máy in khác nhau, dùng cho những loại nguyên liệu có sự pha trộn khác nhau. Đối với loại Lasersintern (SLS) có chọn lọc thì các loại bột kim loại, bột gốm sứ hay bột thuỷ tinh sẽ được phun từng lớp mỏng và sẽ nung chảy bằng thiết bị laser công suất lớn. Thiết bị Fused-deposition Modelling (FDM) phun một loại Thermoplast-Paste được nung chảy qua một vòi phun. Với một Power-bed Inkjet tương tự như ở máy in phun có thể tạo ra bột khô một cách nhanh chóng.

Hull cho rằng ở đây còn có một số hạn chế về tốc độ cũng như số lượng, ngoài ra còn có vấn đề về tính chất nguyên liệu. Thí dụ thông qua hoàn thiện theo từng lớp nên nguyên liệu có thể dãn nở khác nhau và với thời gian sẽ xẩy ra tình trạng biến dạng nho nhỏ hoặc sự không ổn định về cơ học. Hull nhấn mạnh, tuy nhiên người ta sẽ nhanh chóng rút ra những bài học ở những lĩnh vực này và nhanh chóng tìm ra biện pháp khắc phục.

Trước sau thì công nghệ in 3D vẫn đặc biệt quan trọng trong việc sản xuất các nguyên mẫu trong ngành công nghiệp ô tô, và cả ở các lĩnh vực khác, việc sản xuất chế tạo cũng đang đi vào ổn định. Kể từ khi các loại máy in có giá phải chăng mà ai cũng có thể mua được thì có những thông tin gây lo lắng trong xã hội, như người ta có thể tự in súng ống theo hướng dẫn trên internet. “Mỗi loại công nghệ đều có mặt trái của nó và có thể bị lạm dụng”, Hull đã bình luận về sự phát triển này.

Điều ấn tượng nhất với ông là khả năng sử dụng rất đa dạng công nghệ này trong ngành kỹ thuật y tế. Trong đó có các nguyên mẫu như những mẫu xương để thay thế khi phẫu thuật chỉnh hình phức tạp đối với khuôn mặt. Hoặc chế tạo những khuôn mẫu đúng kích cỡ 1:1 của các bộ phận ở người bệnh để cho nhà phẫu thuật luyện tập, thí dụ phẫu thuật tách những trẻ song sinh bị dính vào nhau. Có thể nói ở đây sự sáng tạo hầu như không hạn chế. Ngay cả với những vật thể lớn cũng vậy. Hiện tại có thể in vật có chiều cao 2 mét. Tuy nhiên đã có người thử in cả một ngôi nhà.

Chuck Hull đã nhận được nhiều bằng khen và danh hiệu khác nhau trong hai chục năm qua về vai trò đi tiên phong của mình trong lĩnh vực này. Gần đây nhất, ông được trao bằng tiến sỹ danh dự của ĐH Loughborough (Anh) và giải thưởng sáng tạo (Innovationsaward) 2013 của The Economist. Năm 2014, ông được thu nhận vào “National Inventors Hall of Fame”của Mỹ.

Tuy đã ở tuổi 75, Hull không nghĩ tới nghỉ ngơi vì theo ông, giờ đây mọi sự mới thực sự bắt đầu. Và người ta cảm nhận ông muốn được trẻ lại ba chục tuổi.

Xuân Hoài dịch theo “Tuần Kinh tế” (Đức) dựa trên nguồn Handelsblatt Online