Công nghệ in 3D là một trong những thành tố của Cách mạng công nghiệp 4.0. Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials – ASTM), công nghệ in 3D là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D bằng phương pháp chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau. Công nghệ in 3D có thể tạo ra các mẫu thí nghiệm vật lý chính xác từ mô hình 3D CAD chỉ trong vài giờ đồng hồ với chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp khác.

Máy in sử dụng công nghệ in 3D (máy in 3D) cho phép tạo mẫu nhanh, có giá thành thấp do không phải chế tạo khuôn mẫu lâu, đắt tiền. Việc tạo sản phẩm máy quét 3D và kết nối trực tiếp với máy in 3D sẽ nâng cao mức độ tự động hoá trong thiết kế lại sản phẩm theo mẫu thực đã có. 

Công nghệ in 3D được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp điện tử, hàng không vũ trụ, quốc phòng…

Nhận thấy nhiều doanh nghiệp đang quan tâm tới việc chế tạo ra các máy in 3D khổ lớn để tạo ra sản phẩm kích thước lớn nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí chế tạo mẫu, nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học và Tự động hóa phân viện thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện nhiệm vụ “Thiết kế, chế tạo và ứng dụng máy in 3D khổ lớn tích hợp scanner 3D”. Mục tiêu của nhiệm vụ là thiết kế, chế tạo và ứng dụng thử nghiệm máy in 3D FDM khổ lớn, máy quét laser 3D, tích hợp máy quét 3D với máy in 3D tạo ra một hệ thống liên tục.

Máy in 3D khổ rộng – “chìa khóa” giảm chi phí và thời gian 

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát các sản phẩm máy in 3D khổ rộng hiện có trên thị trường để từ đó đề xuất cấu hình máy in 3D khổ rộng kiểu FDM (Fused Deposition Manufacturing). Theo đó, nhóm đề xuất cấu hình máy in 3D khổ rộng loại FDM hoạt động dựa trên cơ cấu cơ khí dịch chuyển tuyến tính 3 chiều và phun nhựa nóng chảy để tạo hình trên giường in. Tiến hành nghiên cứu cơ sở phục vụ cho thiết kế máy in 3D khổ rộng, nhóm nhận thấy các thành phần quyết định đến chất lượng sản phẩm in 3D như cơ hệ dịch chuyển tuyến tính 3D, bộ điều khiển in 3D và cụm đùn phun nhựa tạo hình. Tuy nhiên, phần mềm in 3D có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng sản phẩm in 3D. 

Khung máy in – phần chính của máy

ThS. Phạm Quốc Phương – Chủ nhiệm đề tài cho biết, phần mềm máy in 3D gồm 2 phần là thiết kế sản phẩm 3D trên máy tính và điều khiển tạo sản phẩm trên máy in 3D. Đầu tiên, mô hình 3D được tạo trên máy tính. Sau đó, phần mềm cắt lớp thực hiện tạo file G-code cho máy in và cuối cùng, máy in nhận file G-code thực hiện in sản phẩm.

“Chúng tôi sử dụng phần mềm điều khiển cho máy in 3D khổ rộng được xây dựng trên nền tảng Reprap Firmware. Đây là phần mềm toàn diện, chủ yếu dành cho việc điều khiển máy in 3D, khắc/cắt laser và CNC. Phần mềm này chỉ sử dụng với bộ xử lý 32 bit, nên hiện nay được sử dụng chủ yếu cho các máy in 3D hiện đại”, ThS. Phạm Quốc Phương chia sẻ. 

Bộ điều khiển máy in 3D khổ rộng

Sau nhiều tháng triển khai nghiên cứu, nhóm thực hiện đã cho ra đời sản phẩm máy in 3D công nghệ FDM hoàn chỉnh, sử dụng vật liệu nhựa PLA, ABS. Máy có kích thước in 1200(X) x 610 (Y) x 1200 (Z) mm; độ phân giải trục: X, Y, Z : 5, 10, 1 μm tương ứng;  Tốc độ in của máy đạt 150 mm/s và chiều cao lớp in đạt 50-800 μm.

Máy quét 3D ứng dụng công nghệ laser tam giác lượng

Cũng trong khuôn khổ đề tài, nhóm thực hiện đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy quét laser 3D tầm ngắn tam giác lượng để sử dụng kết hợp với máy in laser loại FDM. Máy quét có cấu hình quét laser 3D tam giác lượng. Theo đó, cấu hình camera và đầu phát laser đứng yên, còn vật thể quay trên mâm quay. Cấu hình này cho phép cố định góc giữa trục quang của camera và tia laser luôn không đổi và có thể xác lập chính xác trong quá trình hiệu chỉnh máy.

Điểm lưu ý là trong khi mâm quay vận hành, camera không thu ảnh. Chỉ khi mâm quay dừng và sau thời gian trễ xác lập để chờ cho mâm quay dừng ổn định, hệ thống mới điều khiển camera thu đường quét tương ứng với vị trí dừng của mâm quay. Sau khi thu ảnh, máy trở về chương trình để tiếp tục quay mâm, thu ảnh…

Công nghệ laser tam giác lượng

Với 3 phần chính là đèn chiếu laser, camera và cơ cấu xoay, máy quét 3D do nhóm nghiên cứu chế tạo cho phép quét vật thể có kích thước tối đa là 600 x 600 x 600 mm, khối lượng mẫu qyét dưới 20kg với độ chính xác 0,1 mm.

Một điểm đáng chú ý của máy quét 3D này là nhóm nghiên cứu đã áp dụng giải pháp tự động làm nhẵn mịn bề mặt trong tái dựng mô hình 3D và nội suy điểm, bằng cách áp dụng thuật toán Gaussian Blur được sử dụng trong làm mịn ảnh hai chiều. Phương pháp này cho kết quả chính xác dưới 0,1 mm, với độ mịn gia công phù hợp trên máy in 3D khổ rộng.

Thiết kế ngược là phương pháp tạo hình sản phẩm bằng cách quét toàn bộ sản phẩm bằng phương pháp tiếp xúc (cơ học) hoặc không tiếp xúc (quang, laser) để lấy các dữ liệu không gian ba chiều, sau đó sử dụng máy tính để dựng hình sản phẩm. “Việc sử dụng công nghệ quét 3D cho phép dễ dàng giải quyết bài toán thiết kế ngược. Việc tạo hình sản phẩm bằng máy quét 3D kết nối trực tiếp với máy in 3D sẽ nâng cao mức tự động hoá chế tạo sản phẩm”, ThS. Phạm Quốc Phương cho biết.

Thực nghiệm máy quét 3D

Việc chế tạo thành công máy in 3D và máy quét 3D đã chứng minh năng lực nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước trong lĩnh vực công nghệ cao. Sản phẩm máy quét 3D và máy in 3D được đánh giá có chất lượng tương đương thiết bị nhập khẩu nhưng giá thành rẻ hơn do được sản xuất trong nước, qua đó góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động sản xuất, giảm chi phí mua sắm cho doanh nghiệp. Máy in 3D và máy quét 3D sẽ hỗ trợ đắc lực cho thiết kế kiến trúc, xây dựng, cơ khí, mỹ thuật và in ấn quảng cáo, studio,… giúp các doanh nghiệp tạo ra sản phẩm mẫu một cách nhanh chóng và tối ưu để kiểm tra, thử nghiệm và điều chỉnh thực tế trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt, từ đó giúp doanh nghiệp tiết kiệm thời gian và chi phi chế tạo mẫu.