Công nghệ sản xuất: Từ đẽo dần sang đắp dần – Additive Manufacturing (AM)

Sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing, AM) là một phương thức chế tạo sản phẩm bằng cách “đắp” từng lớp vật liệu lên nhau, mô phỏng theo thiết kế đã được vẽ sẵn trên phần mềm CAD. Có lẽ bạn cảm thấy phương thức này hơi quen thuộc? Vì đây cũng chính là cách 3D printing (in 3D) hoạt động đấy.

Mặc dù có một vài điểm khác biệt nhưng AM và 3D printing thường được dùng thay thế lẫn nhau. Có thể đây là lần đầu tiên bạn biết đến hai khái niệm này nhưng AM và 3D printing đã được ứng dụng trong sản xuất suốt nhiều thập kỷ qua.

Sản xuất bồi đắp/ Additive Manufacturing là gì?

Nói một cách đơn giản, sản xuất bồi đắp là quá trình chế tạo sản phẩm dựa trên một bản thiết kế kỹ thuật số ba chiều. Những tên gọi khác của AM bao gồm tạo mẫu nhanh (rapid prototyping), sản xuất kỹ thuật số (direct digital manufacturing), sản xuất đắp dần, chế tạo tích lũy, v.v…

Có nhiều ý kiến trái chiều về việc định nghĩa thế nào là 3D printing và AM. Theo trang Fisher Unitech, 3D printing được dùng khi nhà sản xuất cần chế tạo một bộ phận nào đó một cách nhanh chóng nhưng tiết kiệm và dễ dàng. Trong trường hợp doanh nghiệp cần các bộ phận chắc chắn và chính xác hơn thì cần dùng đến AM.

AM đang dần thay đổi cách thức doanh nghiệp chế tạo sản xuất. Ngày nay, chúng ta có thể điều chỉnh thiết kế sản phẩm một cách dễ dàng chỉ với vài cú click chuột hoặc thiết kế những sản phẩm có hình dạng cầu kỳ, phức tạp mà không cần dùng bất kỳ khuôn mẫu nào.

Cách thức hoạt động

Với quy trình sản xuất truyền thống, để có được sản phẩm hoàn chỉnh đòi hỏi người thợ phải khoan, dập khuôn, tiện trên một khối vật liệu. Với AM, từng lớp vật liệu cực kỳ mỏng được đắp chồng lên nhau để tạo một sản phẩm ba chiều hoàn chỉnh. Lớp sau kết dính với những lớp trước bằng cách nấu chảy hoàn toàn (hoặc một phần) nguyên liệu làm nên sản phẩm.

Nguyên liệu dùng trong AM có thể là bột sắt, nhựa nhiệt dẻo, sứ, composite, thủy tinh hoặc thậm chí là socola.

Quy trình bắt đầu bằng việc thiết kế sản phẩm trên phần mềm kỹ thuật số CAD. Sau đó, phần mềm sẽ cắt lát sản phẩm và phần mềm cũng đóng vai trò định vị cho vòi phun (đầu in) đổ vật liệu và tiến hành “in” sản phẩm.

Ngoài ra, thay vì dùng vòi phun và máy in thì doanh nghiệp còn có thể dùng laser hoặc tia tử điện để làm tan chảy các vật liệu dạng bột. Một khi đã được đúc thành hình, sản phẩm được phơi cho khô và để các lớp dính với nhau.

Sơ lược về công nghệ đắp dần

Từ trước đến nay, để chế tạo một sản phẩm nào đó người ta làm bằng cách đẽo dần. Việc này giống như ngày còn bé ta làm thủ công. Muốn nặn một con chim bằng đất sét, mình lấy một cục đất, nắn sơ nó thành hình con chim, sau đó lấy tay véo dần đất ra, cầm dao gọt dần dần cho đến khi có con chim đem nộp. Một nhà điêu khắc tạc tượng bằng thạch cao cũng làm như thế. Từ một cục to, đẽo bớt, gọt đi, cho nó nhỏ dần thành hình. Còn trong sản xuất người ta lấy một thỏi kim loại, tiện, khoan, dập… để tạo thành một sản phẩm. Đẽo dần là như thế, từ lớn làm cho nhỏ đi đến khi thành hình. Đắp dần là làm ngược lại, từ nhỏ làm cho lớn lên thành hình. Nó là công nghệ mới có gần đây và phải sử dụng một kỹ thuật khác tồn tại trước nó.

Kỹ thuật này là thiết kế đồ họa ba chiều (3D design) xuất hiện từ đầu những năm 1990. Nó là một sự phát triển cao hơn của phần mềm “computer-aided design” (CAD) ra đời vào những năm đầu 1980. Và cả hai đều dựa vào máy tính. Nhờ CAD, người ta vẽ dụng cụ, nhà cửa, bằng máy tính. Có CAD, các kiến trúc sư và họa viên không phải vẽ tay bằng compa, bút mực và thước kẻ nữa.

Lúc đầu, CAD cho ra những hình ảnh có hai chiều, giống như một bức ảnh vậy. Phát triển hơn lên thì nó tạo ra thiết kế ba chiều (3D design); tức là có chiều cao thêm vào chiều dài và rộng. Phim Avatar là một thí dụ về hình ảnh ba chiều. Để có ảnh này người ta chồng các ảnh hai chiều lên nhau; giống như ta chồng các viên gạch hoa lên nhau vậy. CAD cũng làm như thế và làm rất nhanh. Khi xếp chồng gạch lên nhau, từng viên một, ta sẽ có một cái cột gạch. Nếu lấy các cục gạch tròn có lỗ to ở giữa (hình vành khăn) và xếp chồng lên nhau ta sẽ có một cái ống! Trong chuyên môn, người ta nói cái cột gạch được “cắt lớp”, và mỗi viên là một “lát”. Vậy một cái cột gạch thì có nhiều lát.

Chẩn đoán y khoa bằng hình ảnh áp dụng cách này. Thí dụ, máy soi cắt lớp CT (computer tomography scanner) khi chiếu vào lá gan của ta nó sẽ cắt gan ra thành rất nhiều lát mỏng chiếu lên màn hình; nhờ đó bác sĩ biết bệnh trạng của lá gan. 3D design nằm trong máy tính cho ra các hình ảnh ba chiều giống như thế.

Đi lên một bước nữa, nếu có một cái máy nào đó tạo ra một món đồ theo từng lát như đã được sắp xếp trong 3D design thì nó chế tạo ra một sản phẩm theo cách đắp dần. Đó là máy chế tạo 3D printer, còn được gọi là “fabricator” hoặc “faber”. Vì có từ “print” nên trong tiếng Anh khi nói ấn nút print thì đối với máy 3D printer đó là ra lệnh cho máy chạy để làm ra sản phẩm.

Xem trong các clip ở YouTube, 3D printer có kích thước và hình dáng giống như một máy giặt 7-8 ki lô gam, hay máy photocopy lớn hoặc tủ lạnh 500 lít. Cách nó chế tạo ra một sản phẩm như sau. Các lát của sản phẩm liên quan đã định dạng theo hình, theo mẫu ba chiều trong CAD của máy tính được chuyển sang 3D printer. Trong máy bột nguyên liệu (plastic, kim loại…) được một cái vòi phun xuống một cái khay chứa, sau đó lớp bột được làm cho cứng lại, bằng cách phun lên đó một chất lỏng kết dính, hay chiếu vào tia laser hoặc tia điện tử để bột kết tủa lại theo mẫu đã thiết kế. Mỗi lát làm xong sẽ được máy hạ xuống thấp, theo một khoảng cách rất nhỏ, tính bằng phần trăm của 1 mi li mét.

Xong xuôi, máy làm lát khác chồng lên lát trước, cứ như thế hàng ngàn lát được chồng lên nhau và sản phẩm được tạo ra. Có một loại máy khác phun các lớp plastic nóng chảy vào khay để tạo nên các lát mỏng theo mẫu. Xem video, các bộ phận trong máy chạy đi, chạy lại giống như cái đèn xanh lá cây trong máy photocopy. Đồ vật làm ra có thể là một linh kiện của xe hơi, một cái chụp đèn hay một cái đàn violon.

Cái hay của công nghệ này là không cần phải có nhà xưởng. 3D printer có thể đặt trên bàn, ở một góc phòng, trong tiệm, hay ở nhà nếu làm các món nhỏ. Với các món lớn hơn, khung xe đạp, cửa xe hơi, các bộ phận cho máy bay thì mới cần nhiều chỗ hơn hay phải có các máy lớn hơn. Ở Anh, Mỹ, Úc, Israel các kỹ sư và các nhà thiết kế dùng 3D printer hơn 10 năm nay trong một số trung tâm nghiên cứu hay tại một số công ty sản xuất công cụ chuyên biệt, chủ yếu để làm ra các sản phẩm dùng làm mẫu cho nhanh và tiết kiệm tiền trước khi mua máy móc lập xưởng chế tạo hàng thật. Hiện nay, với công nghệ này, người ta chỉ mới sử dụng được một số nguyên liệu là plastic, nhựa công nghiệp và thép. Chiều dày của mỗi lát sản phẩm là 1/10 của một milimét.

Dù cho đến gần đây công nghệ AM này chưa được phổ biến nhiều; nhưng cũng giống như máy điện toán ngày xưa, vào cuối những năm 1970, AM đang mở rộng nhiều vì kỹ thuật tiến triển và chi phí đang giảm. Một “faber” cơ bản, bây giờ rẻ hơn một máy in laser năm 1985. Với máy đó, việc sản xuất sẽ chỉ còn là ấn nút “print”!

Ở ta, một chủ nhân của một công ty sản xuất cho biết việc chế tạo nguyên mẫu theo 3D design đã có khoảng sáu bảy năm nay, máy sử dụng là máy làm khuôn dùng plastic và phải mất nhiều chi phí khi làm hàng mẫu. Hàng này được dùng để xác định hiệu quả của một sản phẩm mới. Thí dụ doanh nghiệp muốn tung ra một loại bút mới, họ phải xem kiểu dáng đẹp không, viết dễ không, màu sắc hấp dẫn không… muốn vậy phải chế sản phẩm mẫu.

Nếu thử mà thấy chưa ưng ý thì họ sẽ thiết kế lại nguyên mẫu ấy trong CAD ba chiều để làm ra một mẫu khác. Khi mẫu được rồi, họ thuê vẽ bản thiết kế chi tiết để làm khuôn. Bản vẽ sau cũng đắt và khó làm hơn bản thiết kế ba chiều; vì phải chia cây bút ra những phần khác nhau để chế ra khuôn đúc. Có khuôn rồi thì mới đổ nhựa để làm ra cây bút. Như thế là có năm giai đoạn để sản xuất ra một cây bút theo cách làm hiện nay: nghĩ kiểu – vẽ đồ họa ba chiều của cây bút – làm ra nguyên mẫu – vẽ thiết kế để chế tạo khuôn – làm khuôn để sản xuất. Tùy từng loại sản phẩm đúc từ khuôn ra, có loại chỉ có một bộ phận trọn vẹn, có loại có nhiều bộ phận. Đối với loại sau doanh nghiệp phải tổ chức lắp ráp theo dây chuyền. Cách lắp ráp này đã tạo nên sản xuất hàng loạt (mass production). Tuy nhiên khách hàng thì lại đòi cái khác: không đụng hàng cơ!

Sản xuất bồi đắp đem lại những lợi ích gì?

Quy trình sản xuất truyền thống vốn dĩ đã đem đến cho các doanh nghiệp sản xuất vô vàn lựa chọn về hình dạng và thiết kế nhưng AM có thể làm được nhiều hơn thế và quy trình cũng linh hoạt hơn.

Ví dụ, AM có thể dùng để chế tạo các thiết kế có lỗ rỗng ở giữa thông qua một công đoạn duy nhất. Nếu sản xuất theo cách truyền thống thì bạn cần phải tiện, hàn nhiều mảnh lại với nhau thì mới cho ra được thành phẩm.

Các sản phẩm được chế tạo từ quy trình sản xuất AM cũng chắc chắn hơn, nhẹ hơn, tiết kiệm hơn, đồng thời cũng giúp nhà sản xuất rút ngắn thời gian từ lúc thiết kế đến lúc chế tạo sản phẩm hàng loạt. Các kỹ sư của bạn giờ đây không phải họp mặt liên tục chỉ để điều chỉnh bản vẽ thiết kế. Thông qua phần mềm CAD, mọi chỉnh sửa đều có thể được thực hiện chỉ với vài cú click chuột và quy trình sản xuất có thể được hoàn thành chỉ sau một đêm.

Ứng dụng của sản xuất bồi đắp

Nếu như trước đây, hình dáng sản phẩm bị hạn chế bởi khả năng sản xuất thì giờ đây, thiết kế chắc chắn sẽ có tác động mạnh mẽ đến toàn bộ quy trình chế tạo sản phẩm. Khả năng ứng dụng AM trong thực tế là vô hạn.

Trong chế tạo ô tô

Với AM, thợ máy không phải tìm cách để đọc và hiểu bản vẽ vì mọi thứ nay đã được số hóa và mô phỏng ba chiều. Thông tin từ phần mềm CAD được cấp trực tiếp vào máy. Mọi thông số kỹ thuật sẽ mô phỏng đúng theo bản vẽ nhưng thời gian sản xuất giảm từ 40-90% so với quy trình sản xuất truyền thống.

Ford Motor là một trong những thương hiệu hàng đầu tận dụng AM để chế tạo mẫu. Quá trình được dự đoán là giúp doanh nghiệp rút ngắn đến bốn tháng sản xuất cũng như hàng triệu USD.

Trong chế tạo máy bay

Nhờ khả năng sản xuất các bộ phận phức tạp nhưng lại nhẹ và bền hơn nên AM nhanh chóng được ứng dụng trong ngành hàng không.

Trong buổi triển lãm Paris Air Show năm 2017, chiếc Boeing 787 Dreamliner, chiếc máy bay đầu tiên đạt chuẩn FAA với cấu trúc titan được chế tạo bằng quy trình 3D printing đã nhận được nhiều lời khen ngợi.

Trong y khoa

AM trong y khoa liệu có phải là dùng để sản xuất tay chân nhân tạo hoặc răng phục hình? Không chỉ dừng lại ở đó, AM có thể cách mạng hóa ngành y khoa với khả năng chế tạo các lớp biểu bì da, xương, sụn, mạch máu và có lẽ trong một ngày không xa, những bộ phận khác bên trong cơ thể chúng ta.

Có thể nói, trong tương lai, nhờ những tiến bộ trong công nghệ kỹ thuật mà chúng ta có thể vận dụng AM để chế tạo bộ phận con người theo yêu cầu, cũng như rút ngắn đáng kể thời gian bệnh nhân phải chờ để được cấy ghép bộ phận thay thế. Hiện tại, AM được dùng nhiều nhất trong y khoa để chế tạo các thiết bị đặc trưng, các công cụ phẫu thuật và khuôn đúc răng phục hình.

Đăng ký để nhận ebook
Đăng ký để nhận ebook "Ứng dụng IoT" từ chúng tôi.
Đăng ký để được nhận ebook "The Technical Foundations of IoT" và "Building Arduino Projects for the Internet of Things ".