8/2/2015
Biết thêm về tiến bộ chế tạo công nghệ sau năm 2010 ở Hoa Kỳ :
Công nghệ rôbôt (còn gọi tên là Máy In 3-D, Chế tạo Cọng thêm )
G S Tôn Thất Trình
Việt Nam đã có chuyên viên lành nghề điện tử , công nghệ rôbôt, công nghệ nanô, vi tính ….Tưởng cũng nên phát triễn thêm ngành công nghệ In 3D printing hay gọi theo định nghĩa rộng hơn là Chế tạo Cọng thêm - Additive Manufacturing , AM . Theo Wikipedia , In 3D là một lọat tiến trình làm ra các vật thể ba chiều . Khi in 3D, những tiến trình thêm vào được sử dụng , trong đó các lớp vật liệu bỏ xuống theo kiểm sóat của máy computer . Những vật thể này có thể hầu như đủ mọi hình dáng hay hình học và sản xuất ra từ một kiểu mẩu 3D hay một nguồn dữ liệu điện tử nào khác . Một máy in 3D như vậy là một loại rô bốt công nghệ - industrial robot . Theo nghĩa nguyên thủy và kỷ thuật chính xác , từ in 3D nói đến những tiến trình làm lắng đọng tuần tự vật liệu trên một nền bột với các đầu ngọn tia mực phun máy in inkjet printer heads . Gần đây hơn, ý nghĩa từ này nới rộng ra, bao gồm một lọat kỷ thuật gồm tỉ như đùn ép - extrusion và các tiến trình căn bản là kết tụ - sintering, Các tiêu chuẩn kỷ thuật dùng từ Chế tạo cọng thêm - AM, theo nghĩa rộng hơn .
Thuật ngữ và phương pháp
Các thiết bị và vật liệu AM đầu tiên được phát triễn trong thập niên 1980 . Năm 1881, Hideo Kodama thuộc Viện Khảo cứu công nghệ thành phố Nagoya sáng chế 2 phương pháp chế tạo AM của một kiểu mẩu plastic 3 chiều, dùng polymer làm rắn đặc quang học ,nơi vùng phô bày UV- tia cực tím được kiểm sóat bằng một mô hình mặt nạ hay một chuyễn giao sợi rà dò - scanning fiber transmitter . Rồi năm 1948, Chuck Hull ở Tổ hợp Hệ thống 3 D, phát triễn một hệ thống kiểu mẩu đầu tiên căn cứ trên tiến trình gọi tên là in đá stêrêô - stereolithography, STL , trong đó các lớp được cọng thêm nhờ hong khô polymers quang học với các laser UV . Hull định nghĩa tiến trình như thể là “ một hệ thống tạo ra các vật thể 3 chiều, xây dựng một mô hình cắt xuyên ngang- tiết diện vật thể cần hình thành; nhưng điều này đã được Kodama sáng chế ra rồi . Công góp sức của Hull là họa kiểu hồ sơ hình dạng STL được công nhận khắp nơi bằng phần mềm in 3D ,cũng như cắt lát kỷ thuật số và chiến lược trát kẻ hở- infill strategy dùng chung cho nhiều tiến trình ngày nay. Từ in 3D nguyên thủy nhắc tới một tiến trình sử dụng các đầu ngọn tia phun mực in tiêu chuẩn và cho bạn hàng. Kỷ thuật các máy in thường dùng nhất hiện nay , đặc biệt cho các kiểu mẩu hướng khách hàng và các tay thích thú lúc nhàn rỗi , là làm kiểu mẩu lắng đọng nấu chảy-fused deposition modeling ,một ứng dụng ở công nghệ đùn ép chất dẻo - plastic extrusion.
Các tiến trình AM cho kết tụ kim lọai - metal sintering hay nung chảy - melting ( tỉ như kết tụ laser lựa chọn, kết tụ laser kim lọai trực tiếp, hay nung chảy laser lựa chọn ) thường có tên riêng cho mình vào các thập niên 1980 và 1990. Gần như mọi sản xuất làm công nghệ kim lọai lúc đó đều là đúc khuôn - casting , luyện chế , rèn khuôn - stamping và làm máy ; ngay cả khi các kỷ thuật này đầy tự động hóa (tỉ như hàn chì rô bốt và CNC) ; ý kiến là một dụng cụ hay đầu ngọn di chuyễn xuyên qua một vỏ bọc họat động 3 D biến đổi một khối lượng vật liệu thô hào thành một hình dạng mong muốn , lớp này trên lớp khác, được đa số dân gian chỉ liên kết với những tiến trình lấy đi kim lọai ( thay vì cọng thêm ) , tỉ như nghiền-milling CNC , CNCEDM và nhiều tiến trình khác. Nhưng kết tụ lọai AM đã khởi sự thách thức giả thiết này . Vào giũa thập niên 199 , các kỷ thuật mới cho lắng đọng vật liệu được Viện Đại học Stanford và Carnegie Mellon phát triễn, kể luôn cả đúc khuôn vi tiểu - microcasting và phun vật liêu - spray materials . Những vật liệu hổ trợ và để cúng tế cũng phải trở thành thường thức hơn, để làm các hình học vật thể mới.
Từ bình phong- umbrella Chế tạo cọng thêm - adidive manufacturing, AM được thông dụng vào thập niên 2000 khi nhiều tiến trình cọng thêm trưởng thành và rỏ ràng là rồi đây, lấy đi kim lọai sẽ không còn là tiến trình họat động kim lọai duy nhất làm theo cách kiểm sóat này ( một dụng cụ hay một đầu ngọn di chuyễn xuyên qua một vỏ bọc họat động 3D biến đổi khối lượng vật liệu thô hào, thành một hình dạng mong muốn lớp này đến lớp khác). Chính vào thập niên này từ Chế tạo Trừ đi- Subtractive manufacturing xuất hiện như là một từ sau - retronym của một họ lớn tiến trình máy móc, với việc lấy đi kim lọai là tiêu đề chung của chúng . Tuy nhiên lúc đó, từ in 3D vẫn chỉ nhắc tới các kỷ thuật polymers trong trí óc mọi người, và từ AM chỉ thông dụng trong công nghệ chế tạo kim khí, hơn là trong các tay say mê Polymer /inkjet/ stereolithography. Từ trừ đi - subtractive không thay thế cho từ làm máy móc - machining , và bổ sung chúng khi cần có một từ bao phủ mọi cách lấy đi .
Đầu thập niên 2010, các từ in 3D và chế tạo cọng thêm phát triễn ra ý nghĩa, trong đó chúng đồng dạng với từ Bình Phong - Umbrella cho mọi kỷ thuật AM . Dù rằng đây là một thóat ly ra khỏi những ý nghĩa kỷ thuật hạn hẹp hơn của chúng trước đó, nó phản chiếu sự kiện đơn giản là các kỷ thuật thảy đều chia sẽ một tiêu đề chung là lớp vật liệu tuần tự cộng thêm/ gia nhập suốt vỏ bọc họat động 3D, dưới sự kiểm sóat tự động. ( những từ khác đã xuất hiện, thường được dùng như thể các từ đồng nghĩa - AM synonyms ( dù cho đôi khi là siêu nghĩa - hypernyms ) là chế tạo để bàn-desktop manufacturing, chế tạo mau lẹ - rapid manufacturing, < là kẻ kế tiếp ở mức sản xuất lô gic cho làm kiểu mẩu đầu tiên mau lẹ - rapid prototyping >, và cho chế tạo theo yêu cầu - on demand manufacturing ( vọng lên theo kỷ thuật in theo yêu cầu- on demand printing, theo nghĩa 2D của kỷ thuật in ). Thập niên 2010 là thập niên đầu tiên, trong đó các phần kim lọai tỉ như các giá đở động cơ - engine brackets hay các đai ốc - ê cru lớn được chế tạo (trước hay thay vì bằng máy móc ) ở sản xuất công việc , thay vì làm bằng máy móc ) bắt buộc từ thanh thỏi hay tấm bảng .
Ứng dụng
Các kỷ thuật AM tìm thấy ứng dụng khởi đầu vào thập niên 1980 ở phát triễn sản xuất , hình dung dữ liệu - data visualization , làm kiểu mẩu đầu tiên mau lẹ, và chế tạo đặc thù. Chúng mở rộng thành sản xuất ( sản xuất công ăn việc làm, sản xuất đại trà và phân phối chế tạo ), đã được phát triễn từ nhiều chục năm qua . Những nhiệm vụ sản xuất công nghệ trong các ngành công nghệ họat động kim lọai, đã hòan thành những kích thước đáng kể , lần đầu tiên ở đầu thập niên 2010. Từ khi thế kỷ thứ 21 bắt đầu, các mức bán máy móc AM đã tăng trưởng mạnh mẽ , và giá cả máy móc hạ thấp cũng đáng kể. Theo Wohlers Associates, một hảng cố vấn, thị trường các máy in 3 D và dịch vụ đạt trị giá 2.2 tỉ đôla Mỹ năm 2012 , tăng thêm 29% so với năm 2011. Có nhiều ứng dụng cho kỷ thuật AM , gồm cả kiến trúc, xây cất ( AEC) , vẽ kiểu công nghệ , xe hơi, không gian, quân sự, công nghệ, ngành nha khoa và y khoa, kỷ thuật sinh học - biotech ( như việc thay thế mô người - human tissue replacement ), thời trang, giày dép, kim hòan châu báu, đeo mắt, giáo dục , các hệ thống thông tin địa lý ,thực phẩm và nhiều lảnh vực khác . Năm 2005, một thị trường cho kẻ thích thú lúc nhàn rỗi- hobbyist và dùng trong gia thất mở rộng mau lẹ được thiết lập với khánh thành nguồn mở RepRap và dự án Fab@Home. Hầu như mọi máy in 3D dùng ở gia thất giải tỏa đến nay, đều bắt cội rễ kỷ thuật ở Dự Án RepRap đang họat động và liên hệ đến các sáng kiến phần mềm nguồn mở. Ở phân phối chế tạo, một nghiên cứu tìm ra là in 3D có thể trở thành một sản xuất thị trường đại trà , giúp các nhà tiêu thụ tiết kiệm tiền bác liên quan đến mua sắm các vật thể gia thất thông thường. Chẳng hạn, thay vì phải đến tiệm hàng mua một vật thể làm trong xưởng bằng cách tiêm đúc - injestion molding ( tỉ như đo lường một chén tách hay một thểu- funnel ), thay vào đó ai đó có thể in ở nhà từ chất tải - download kiểu mẩu 3D .
Các nguyên tắc tổng quát
Đó là làm kiểu mẩu - modeling , in - printing, hòan tất và lựa các tiến trình. Các kiểu mẩu 3D có thể tạo ra bằng gói họa kiểu computer hổ trợ - computer aid design , CAD hay qua một máy rà dò - 3D scanner , hay qua một máy chụp hình tòan kỷ thuật số và phần mềm phép quan trắc. Rà dò 3D là tiến trình phân tích và thu thập dữ liệu kỷ thuật số - digital data về hình dạng và sự hiện ra một vật thể thực sự. Dù dùng bất cứ một phần mềm nào làm kiểu mẩu 3D đi nữa, kiểu mẩu 3D ( thường là theo .skip, .dae, .3ds hay vài khổ cở khác ) cần phải chuyễn thành hoặc một .STL hay một khổ cở .OBJ , để giúp in (còn gọi là ”CAM”) phần mềm có khả năng đọc được . Trước khi in một kiểu mẩu 3D, phải xem xét “ nhiều sai lầm - manifold errors” gọi là “chỉnh đốn - fixup”, Các phần mềm dùng để chỉnh đốn các sai lầm này là netfabb, Meshmixer hay ngay cả Cura hay Slic.3r …. Xong vụ này, hồ sơ .STL được chế biến bằng một lọai phần mềm tên gọi là “ máy khoanh lát- slicer” chuyễn hóa kiểu mẩu thành một lọat các lớp mỏng và sản xuất ra một hồ sơ Mâ Số G- G code , chứa các chỉ thị nhắm về một lòai máy in 3D đặc thù( FDM printers ). Hồ sơ Mã Số- G sau đó có thể in ra bằng phần mềm khách hàng in 3D . Nên lưu ý là phần mềm khách hàng thường phối hợp với máy khoanh lát thành một lập trình phần mềm - software program .
Máy in 3D theo sau các chỉ thị Mã Số - G đặt xuống liên tiếp những lớp chất lỏng, chất bột , giấy và băng vật liệu để xây dựng kiểu mẩu từ nhuững lọat tiết diện . Những lớp này tương xứng với những tiết diện ảo - virtual cross sections từ kiểu mẩu CAD, được gia nhập hay dung hợp tự động tạo ra hình dạng cuối cùng. Ưu điểm chủ yếu của kỷ thuật này là khả năng tạo ra bất cứ hình dạng hay hình học nào.
Các kỷ thuật truyền thống tỉ như tiêm đúc - injection moulding có thể rẽ hơn để chế tạo các sản phẩm polymers theo số lượng lớn , nhưng chế tạo cọng thêm - additive manufacturing có thể mau lẹ hơn, mềm dẽo hơn và cũng rẽ tiền hơn khi sản xuất những bộ phận số lượng tương đối nhỏ. Các máy in 3D cung cấp cho các nhà vẽ kiểu và các nhóm ý niệm phát triễn khả năng sản xuất các bộ phận và ý niệm kiểu mẩu , sử dụng một máy in cở để bàn- desktop size printer .
Dù rằng độ phân giải máy in làm ra đã đủ cho nhiều ứng dụng , in một dịch bản có phần quá cở của một vật thể mong muốn theo một phân giải tiêu chuẩn và rồi lấy đi vật liệu với một tiến trình trừ đi độ phân giải cao hơn, có thể hòan tất chính xác hơn. Vài kỷ thuật chế tạo cọng thêm có khả năng dùng vật liệu đa lòai, trong lúc xây dựng bộ phận. Vài kỷ thuật còn có khả năng in nhiều phối hợp màu sắc và mùi vị, cùng một lúc . Vài kỷ thuật cũng dùng những hổ trợ khi xây dựng . Hổ trợ có thể lấy đi được và hòa tan đi khi hòan tất in và sử dụng để hổ trợ các đặc điểm còn treo lơ lững khi xây dựng.
Tiến trình
Nhiều tiến trình in 3D khác nhau đã được sáng chế từ cuối thập niên 1970 .Thoạt tiên các máy in to lớn và đắt tiền , rất giới hạn về những gì chúng có thể làm ra được. Nay thì có rất nhiều các tiến trình cọng thêm. Khác biệt chính giữa các tiến trình là phương cách các lớp được lắng đọng trên các bộ phận tạo dựng và trên các vật liệu đã sử dụng . Vài phương pháp nung chảy hay làm mềm vật liệu để sản xuất các lớp . tỉ như nung chảy lựa chọn bằng laser ( SLT) hay kết tụ trực tiếp kim lọai bằng laser- direct metal laser sintering ( DMLS ) làm kiểu mẩu láng tụ dung hợp - fused deposition modeling ( FDM ), trong khi các phương pháp khác nung chảy các vật liệu lỏng , sử dụng các kỷ thuật phức tạp khác nhau như in đá stereo - stereolithography ( SLA ) . Chế tạo vật thể cán mỏng - laminated object manufacturing ( LOM) cắt mỏng các lớp mỏng thành hình dạng và nối chúng lại ( như giấy , polymer , kim lọai ) . Mỗi phương pháp đều có ưu điểm riêng và thất bại riêng, thường là tại sao vài công ty vì thế cống hiến một lựa chọn giữa bột và polymer làm vật liệu xây dựng vật thể. Vài công ty khác đôi khi dùng giấy tiêu chuẩn , ngoài kệ tủ doanh vụ làm vật liệu xây dựng , để sản xuất kiểu mẩu đầu tiên vững bền. Lý lẽ chánh khi lựa chọn một máy móc tổng quát, là tốc độ , giá sắm một máy in 3D, tổn phí của kiểu mẩu đầu tiên in ra , giá cả và lựa chọn vật liệu cùng các khả năng màu sắc . Các máy in hoạt động trực tiếp với các kim lọai rất đắt tiền. Ở vài ca , những máy in rẽ tiền hơn có thể dùng làm ra một khuôn đúc , rồi lại được sử dụng làm ra các bộ phận kim lọai …
( Irvine, Nam Ca Li Hoa Kỳ .ngày 4 tháng 2 năm 2015 )
