Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3d

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn:
 Thầy giáo Lê Văn Chung – Khoa Công nghệ tự động hóa – Trường Đại học Công

nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên.
 Cảm ơn anh em đồng nghiệp Công ty TNHH CNC THÁI NGUYÊN đã góp ý kiến

kịp thời để hoàn thiện đồ án hơn.
Cùng các thầy, cô giáo trong Khoa Công nghệ tự động hóa – Đại học Công
nghệ thông tin và Truyền thông đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian
thực hiện đồ án.
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện đồ án

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là phần nghiên cứu và thể hiện đồ án tốt nghiệp của riêng
em, sản phẩm là do em thiết kế và thực hiện, không sao chép các đồ án khác, nếu sai
em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra.
Thái Nguyên tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

2


MỤC LỤC

3

DANH MỤC HÌNH ẢNH

4


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng trong tất
cả các lĩnh vực của cuộc sống. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để tăng năng suất lao
động, tiết kiệm chi phí, năng lượng và đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của con
người là rất cần thiết. Hiện nay có rất nhiều ứng dụng đã được ứng dụng trong cuộc
sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp sản xuất và quân sự…Đặc biệt trong công
nghiệp, khoa học kỹ thuật ngày càng được phát triển mạnh mẽ như: Hệ thống cảm
biến, hệ thống chuyển động linh hoạt, hệ thống điều khiển thông minh… Áp dụng
những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ các tài liệu liên quan, đồ án tốt nghiệp đại
học em chọn hướng tìm hiểu về máy in 3D. Tên đồ án: “Xây dựng hệ thống điều
khiển và giám sát cho máy in 3D”
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Lê
Văn Chung đã hết lòng hướng dẫn, cùng các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ tự
động hóa – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ
em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng đề tài không tránh
khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý, đóng góp của các thầy cô và các bạn
để đề tài có thể áp dụng rộng rãi vào thực tế một cách thiết thực nhất.
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Đinh Gia Lâm

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D
1.1.
Giới thiệu công nghệ in 3D
1.1.1. Định nghĩa

Công nghệ in 3D là một quá trình tạo ra vật thể trực tiếp, bằng cách thêm
từng lớp vật liệu chồng lên nhau theo nhiều cách khác nhau, phụ thuộc vào loại công
nghệ sử dụng. Để đơn giản hóa cách tư duy nằm đằng sau công nghệ này, dành cho
những ai vẫn đang cố gắng để hiểu khái niệm cơ bản, bạn có thể coi quá trình đó như
việc xây dựng một thứ gì đó bằng các mảnh, nhưng hoàn toàn tự động.

Hình 1.1: Hình ảnh kết cấu lớp tạo dựng vật thể 3D
Công nghệ in 3D là công nghệ khá “linh hoạt”, khuyến khích và thúc đẩy sáng
tạo với một sự tự do chưa từng có trong thiết kế, dù vẫn đảm bảo yêu cầu ít dụng cụ,
qua đó khống chế không để chi phí và thời gian gia công bị đẩy lên quá cao. Các thành
phần có thể được thiết kế đặc biệt để tránh việc phải lắp ghép sau khi hoàn thiện, các
biên dạng phức tạp và tính chất rắc rối có thể được tạo ra mà không cần thêm chi phí
nào. Ngoài ra công nghệ in 3D cũng nổi lên là một công nghệ tiết kiệm năng lượng, và
thân thiện với môi trường trong cả quá trình gia công (sử dụng đến hơn 90% vật liệu
theo tiêu chuẩn), và cả dòng đời của sản phẩm nhờ việc thiết kế gọn và bền hơn.
Những năm gần đây, công nghệ in 3D đã vượt qua cái bóng là một công nghệ
gia công, sản xuất nguyên mẫu công nghiệp cấp tốc. Hiện tại công nghệ này có thể dễ
dàng được tiếp cận bởi doanh nghiệp nhỏ và các cá nhân. Trong các tập đoàn lớn, đa
6


quốc gia, tùy vào tầm vóc và tính kinh tế khi sở hữu máy in 3D, mà những máy in 3D
cỡ nhỏ (với ít tính năng hơn) có thể được trang bị với giá chỉ dưới 1000$.

Điều này đã giúp công nghệ in 3D tiếp cận được nhiều đối tượng khách hàng
hơn, với tốc độ theo cấp số nhân trên mọi mặt trận. Ngày càng nhiều các hệ thống, vật
liệu, ứng dụng, dịch vụ được giới thiệu đến với mọi người.
1.1.2. Lịch sử phát triển

In 3D là một công nghệ đang được phát triển với tốc độ khá nhanh và ứng dụng
của công nghệ này trải dài trên nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, công nghệ in 3D đã được
khai sinh từ những năm 80 của thế kỷ trước và qua thời gian, in 3D đã được cải tiến
với nhiều biến thể nhằm đáp ứng với nhiều nhu cầu in ân tạo hình khác nhau. Trong
bài viết hôm nay, chúng ta hãy cùng tìm hiểu về các công nghệ in 3D và những mốc
thời gian đáng nhớ.

Hình 1.2: Charles Hull người phát minh ra công nghệ in 3D
Năm 1984 - Thời khắc khai sinh ra công nghệ máy in 3DCharles Hull là người
đầu tiên phát minh ra Stereolithography - một phương pháp đột phá tạo ra một đối
tượng 3D hữu tình từ những dữ liệu kỹ thuật số . Công nghệ này được sử dụng để chế
tạo ra các vật phẩm 3D chỉ từ những hình ảnh trên máy tính và công nghệ này cho

7


phép người dùng kiểm tra các mẫu thiết kế một cách nhanh chóng, chính xác trước khi
quyết định đầu tư sản xuất hàng loạt.
Năm 1986, Charles Hull đăng ký bản quyền phát minh Stereolithography. Sau
đó, ông thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiên
được gọi là Stereolithography, SLA là công nghệ sử dụng tia sáng (tia laser, tia UV
hoặc tia sáng bình thường) làm đông cứng lớp photopolymer lỏng (polymer quang hóa
- polymer đóng rắn khi có ánh sáng chiếu vào) được chứa trong bồn, từng lớp từng lớp
để hình thành nên vật thể 3D. Đây là công nghệ đầu tiên và cũng là công nghệ đem lại
độ dày layer nhỏ nhất hiện nay (độ chi tiết tốt nhất).

Năm 1987, một công ty khác có tên Object đã giới thiệu công nghệ Jetted
Photopolymer. Về công nghệ J-P, thật ra công nghệ này cũng giống như công nghệ
SLA nhưng thay vì nguyên liệu được chứa trong bồn thì nguyên liệu được phun giống
như máy in phun, đi kèm với đầu phun là đèn chiếu UV làm đông cứng lớp
photopolymer vừa phun ra. Vì vậy, công nghệ cho phép in nhiều loại vật liệu trên cùng
một vật thể in, mỗi bình mực in là 1 loại vật liệu.
Năm 1988 – Scott Crump phát minh ra công nghệ Fused Deposition Modeling
(FDM).
Công nghệ FDM sử dụng nguyên liệu đầu vào là sợi nhựa, sau đó được nung
nóng chảy ra và đầu phun kéo các sợi nhựa chảy này theo biên dạng của mặt cắt từng
layer, và đắp từng lớp layer chồng lên nhau để tạo ra sản phẩm 3D. Đây là công nghệ
phổ biến nhất hiện nay vì nó đơn giản và dễ chế tạo. Những máy in DIY giá rẻ hiện
nay đều sử dụng công nghệ này, giá thành chỉ khoảng vài trăm đến vài nghìn đô la.
Tuy nhiên, do những nhược điểm cố hữu của công nghệ nên máy in DIY chỉ có thể đáp
ứng được những yêu cầu trung bình.
Năm 1989 – DTM bắt đầu bán ra dòng máy in Selective Laser Sintering (SLS).
Công nghệ SLS sử dụng nguyên liệu dạng bột được chứa trong các bồn, các layer
được xếp chồng lên nhau bằng các bánh lăn (roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vật
liệu ra thành lớp mỏng. Biên dạng layer được hình thành bằng cách dùng tia laser
chiếu cho nóng chảy bột để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới.
Năm 1991 – Helisys bán chiếc máy đầu tiên dùng công nghệ Laminated Object
Manufacturing (LOM).Công nghệ LOM sử dụng nguyên liệu đầu vào là các vật liệu

8


có thể dát mỏng như giấy, gỗ … dạng cuộn hay tờ, mỗi layer chính là mỗi tờ giấy hay
lát gỗ, biên dạng layer được cắt ra bằng laser hay dụng cụ cắt rồi dán chồng lên nhau
tạo nên vật thể 3D. Đối với công nghệ này có thể tạo ra vật thể có màu sắc theo đúng
thiết kế.

Năm 1992 – Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên: “3D Modeler”.
Năm 1996 – Stratasys giới thiệu dòng máy in 3D ”Genisys”. Cùng năm này Z
Corporation cũng giới thiệu dòng “Z402″ trong khi 3D Systems cũng giới thiệu dòng
máy “Actua 2100″. Từ đây, cụm từ “Máy in 3D ” được sử dụng lần đầu tiên để chỉ
những chiếc máy tạo mẫu nhanh
Năm 2006 – Dự án máy in 3D mã nguồn mở được khởi động có tên Reprap. Dự
án sử dụng công nghệ FDM nhằm mục đích tạo ra những máy in 3D có thể sao chép
chính bản thân nó. Bạn có thể điều chỉnh hay sửa đổi nó tùy ý nhưng phải tuân theo
điều luật GNU General Public Licence.
Năm 2008 – Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành. Nó có thể sản xuất
được 50% các bộ phậncủa chính mình.
Năm 2008 - Objet Geometries Ltd. đã tạo ra cuộc cách mạng trong ngành tạo
mẫu nhanh khi giới thiệu Connex500™. Đây là chiếc máy đầu tiên trên thế giới có thể
tạo ra sản phẩm 3D với nhiều loại vật liệu khác nhau trong cùng 1 thời điểm.
Tháng 12, năm 2010 - Organovo Inc. một công ty y học tái tạo nghiên cứu
trong lĩnh vực in 3D sinh học đã công bố việc chế tạo ra hoàn chỉnh mạch máu đầu
tiên hoàn toàn bằng công nghệ in 3D.
Tháng 1, năm 2011 - Các nhà nghiên cứu tại trường Đại Học Cornell đã xây
dựng chiếc máy in thức ăn đầu tiên bằng công nghệ in 3D.
Tháng 7, năm 2011 - Các nhà nghiên cứu của ĐH Exeter, ĐH Brunel cùng với
các nhà lập trình Delcam đã phát triển máy in 3d có thể in ra các sản phẩm từ
chocolate.
Tháng 10, năm 2011 - Công ty i.materialise trở thành dịch vụ in 3D đầu tiên
trên toàn thế giới áp dụng vật liệu in là vàng 14K và bạc, mở ra một khả năng mới,
thêm lựa chọn để chế tác ít tốn kém hơn cho các nhà thiết kế đồ trang sức.
1.1.3. Công nghệ in 3D xu hướng của tương lai.

9

Công nghệ in 3D có những đặc điểm gì khiến các chuyên gia đánh giá đây là
một xu hướng phát triển đầy mạnh mẽ trong thời gian tới, xu hướng của tương lai?
Ưu điểm đầu tiên đúng như tên gọi của nó : công nghệ tạo mẫu nhanh, công
nghệ này có sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện. “Nhanh” ở đây
cũng chỉ là một giới hạn tương đối. Thông thường, để tạo ra một sản phẩm mới mất
khoảng từ 3 – 72 giờ, phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm. Có thể
bạn cho rằng khoảng thời gian này có vẻ chậm, nhưng so với thời gian mà các công
nghệ chế tạo truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng để tạo ra một sản
phẩm thì nó nhanh hơn rất nhiều. Chính vì cần ít thời gian hơn để tạo ra sản phẩm nên
các công ty sản xuất tiết kiệm được chi phí, nhanh chóng đưa ra thị trường những sản
phẩm mới.
Ưu điểm đặc biệt thứ hai : như trong ví dụ hình dung về in 3d bên trên, ta có thể
chế tạo được cái đầu người với đầy đủ các bộ phận cả bên trong lẫn bên ngoài một
cách chi tiết chỉ trong một lần thực hiện mà các phương pháp truyền thống không thể
chế tạo được.

10


Hình 1.3: Hình ảnh sản phẩm của máy in 3D
1.2.
Giới thiệu máy in 3D
1.2.1. Định nghĩa

Máy in 3D là máy in ra nội dung (hình cắt CT bên trên) lên từng lớp ( tờ giấy
bên trên) , các lớp được in lần lượt chồng liên tiếp lên nhau, từng lớp từng lớp. Mực in
chính là vật liệu muốn áp lên vật thể 3d, có thể là nhựa, giấy, bột, polymer, hay kim
loại … , các vật liệu này có đặc điểm là có sự kết dính với nhau để vật liệu lớp bên
trên kết dính với lớp bên dưới được.
In ấn 3D là bất kỳ quá trình khác nhau được sử dụng để tạo ra một vật thể

ba chiều. Trong in 3D, các quá trình đắp lớp được áp dụng, trong đó các lớp liên tiếp
của vật liệu được dính chồng lên nhau dưới sự kiểm soát máy tính. Các đối tượng này
có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu
điện tử khác. Một máy in 3D là một loại robot công nghiệp.
In 3D trong gốc của thuật ngữ có ý nghĩa liên quan đến quá trình tuần tự các vật
liệu tích lũy trong môi trường bột với đầu máy in phun. Gần đây hơn ý nghĩa của thuật
ngữ này đã được mở rộng để bao gồm đa dạng hơn các kỹ thuật như các quy trình dựa
trên phun ra và thiêu kết. Tiêu chuẩn kỹ thuật thường sử dụng hạn sản xuất phụ gia cho
cảm giác rộng hơn này.

Hình 1.4: Hình ảnh máy in 3D
1.2.2. Cấu tạo máy in 3D

Máy in 3D theo công nghệ FDM gồm có 3 trục Oxyz, và một cụm đùn nhựa
(tạm gọi là máy đùn). Các động cơ bước (stepper motor) trên 2 trục xy sẽ điều khiển
11


máy đùn di chuyển trên mặt phẳng Oxy. Khi máy đùn di chuyển, động cơ bước trên
máy đùn sẽ điều khiển phun nhựa để tao ra một lớp mỏng vật liệu lên bàn in. Khi một
lớp vật liệu được in xong, động cơ bước trên trục Oz sẽ điều khiển để nâng máy đùn
lên (hoặc hạ bàn in xuống tùy vào thiết kế) một khoảng cách của 1 lớp mỏng vật liệu.
Lúc này máy đùn lại được điều khiển để in ra 1 lớp mỏng vật liệu tiếp theo chồng lên
lớp trước và cứ thế vật thể 3 chiều từ từ hình thành. Máy đùn cũng được điều khiển
bằng một động cơ bước. Sợi nhựa cứng sẽ được bánh răng đẩy xuống đầu phun gia
nhiệt (hotend) có cảm biến (thermistor) để điều chỉnh nhiệt độ. Nhựa sau đó nóng chảy
và được phun ra qua lỗ nhỏ trên đầu phun.
Tất cả các thành phần động cơ bước, đầu phun gia nhiệt, cảm biến… sẽ đươc
điều khiển bởi một bo mạch. Trên thị trường, bo mạch cho máy in 3D REPRAP có rất
nhiều loại khác nhau nhưng về cơ bản đều tương thích với nên tảng nguồn mở

Arduino. Một trong số các loại bo mạch phổ biến nhất trên thị trường hiện nay cho
máy in 3D là bo mạch RAMPS 1.4.
Phát triển trên nền tảng máy gia công CNC máy in 3D bao gồm 3 phần chính:
a)

Hệ khung đỡ
Hệ truyền động
Bộ đùn nhựa in
Bộ điều khiển
Phần mềm điều khiển
Lập trình tạo mẫu
Hệ khung đỡ
Hệ khung đỡ của máy in 3D làm theo kết cấu dạng phôi di chuyển, khung đỡ
được làm bằng vật liệu nhôm, bao gồm 3 trục tịnh tiến.

12


Hình 1.5: Hình ảnh kết cấu hệ khung đỡ máy in 3D
-

Trục X: Là trục dịch chuyển theo phương X của hệ trục tạo độ OXYZ
Trục Y: Là trục dịch chuyển theo phương Y của hệ trục tạo độ OXYZ
Trục Z: Là trục dịch chuyển theo phương Z của hệ trục tạo độ OXYZ

-

Khung máy: Tùy theo các mẫu thiết kế mà máy in 3D có bộ “xương” với chất liệu và
hình dáng khác nhau: Nhôm, gỗ ép, mica, thép không rỉ…

b) Hệ truyền động

Các thanh dẫn hướng chuyển động x,y,z bao gồm (hoặc): thanh trượt-bạc trượt,
trục vít me -đai ốc,.. Dây đai răng (cu-roa) để truyền cơ năng từ động cơ sang các cơ
cấu chuyển động.
-Động cơ: Thường dùng động cơ bước (Stepper motor).

13


Hình 1.6: Hệ truyền động trục Y dùng dây đai và động cơ bước

Hình 1.7: Hệ truyền động trục Z dùng visme
c) Bộ đùn nhựa in
Đầu in 3D (Đầu phun nhựa): Đây là bộ phận dùng để nung nóng nhựa và đùn
nhựa trong quá trình in. Cấu tạo bao gồm: Bộ đùn nhựa dùng động cơ bước để đẩy
nhựa vào đầu đốt được gắn thanh ra nhiệt và bộ nung nóng nhựa.
Cơ cấu kéo sợi nhựa: Ở đây có 2 bánh răng được in từ máy in 3D, dùng để
truyền động và kéo sợi nhựa in (ABS, PLA). Chọn đường kính sợi nhựa in 3D là 3mm
là tùy vào loại đầu phun đang sử dụng.
Ở nhiệt độ phù hợp khi nhựa được động cơ bước đẩy vào bộ đùn thì nhiệt độ ở
bộ đùn sẽ làm nóng chảy nhựa. Tạo thành từng lớp kết dính thành vật thể 3D.

14


Hình 1.8: Hình ảnh bộ đùn nhựa máy in 3D
d) Bàn in:

Bàn in hay còn gọi là bàn ra nhiệt đây là bộ phận bệ đỡ sản phẩm trong quá

trình in, có thể chế các bàn in theo ý thích. Nhưng cần phải cân chỉnh độ bằng phẳng,
cơ cấu giảm sốc và nhất là đảm bảo đủ độ “ma sát” để mô hình không bị xê dịch trong
quá trình tạo mẫu. Bàn in có tác dụng nung nong lớp nhựa thứ nhất khi in để nó cố
định trên mặt bàn để in các lớp tiếp theo không bị đổ. Có nhiều loại bàn in khác nhau,
trong đồ án sử dụngbàn in MK2, MK3 phiên bản bàn in mới nhất năm 2014.

15


Hình 1.9: Hình ảnh tấm gia nhiệt mặt bàn máy in 3D
e) Bộ điều khiển

Bộ điều khiển máy in 3D bao gồm:
•
•
•

Bo mạch Arduino 2560 R3 (mạch điều khiển chính)
Bo mạch RAMPS 1.4 (mạch giao tiếp)
Driver A4988 (mạch điều khiển động cơ bước)

Hình 1.10: Mạch Arduino kết nối driver A4988 điều khiển động cơ bước

16


f) Phần mềm điều khiển

Phần mềm điều khiển máy in 3D được chia làm 2 thành phần:
-

Phần mềm lập trình cho mạch điều khiển: phần mềm lập trình Arduino 1.5.5 phần
mềm phát triển bởi nhà sản xuất với phần mềm ta có thể lập trình thay đổi các tính
năng có trên phần cứng Adruino.Module Adruino dùng để điều khiển động cơ bước sẽ
được nạp một mã lệnh (firm ware) để kết nối và điều khiển máy in 3D

-

Phần mềm điều khiển máy in 3D
Phần mềm điều khiển máy in 3D được sử dụng là pronterface, phần mềm có
nhiệm vụ nhận bản vẽ dạng 3D sau đó chuyển đổi thành tập lệnh Gcode và chuyển qua
máy in 3D sử lý.

1.2.3. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D

Từng lớp từng lớp, máy in 3D tạo ra vật thể từ vật liệu nhựa kết dính. Đó là
nguyên lý cơ bản của máy in 3D. Máy hoạt động dựa trên nguyên lý cuả hệ trục tọa đồ
OXYZ, bao gồm 3 trục tịnh tiến X, Y, Z tịnh tiến trong không gian toa độ OXYZ, khi
các trục của máy in 3D hoạt động thì đồng thời bộ đùn nhựa được nung nóng và đùn ra
tạo thành các vật thể dạng khối 3D. Vật thể cần in được thiết kế bằng phần mềm thiết
kế 3D như ArtCam, Auto Cad… Sau khi thiết kế xong bản vẽ sẽ được lưu ở định dạng
file .OBJ và gửi qua phần mềm xử lý bản vẽ chuyển nó thành mã lệnh Gcode và điều
khiển máy in tạo ra vật thể.
Đầu vào là sợi nhựa, đầu ra là nhựa kết dính, người sử dụng máy in 3D sẽ lựa
chọn

2

loại

vật

liệu

đầu

vào: Acrylonitrile

Butadiene

Styrene

(nhựa

ABS) và Polylactic Acid (nhựa PLA). Các vật liệu nhựa đầu vào này có dạng sợi,
chiều rộng 1,75mm hoặc 3mm.
Nhựa ABS thường được sử dụng để tạo ra đồ chơi Lego. Đây là loại nhựa có
gốc hóa học, hoạt hóa ở nhiệt độ cao. Nhựa PLA thì có nguồn gốc tự nhiên, chẳng hạn
như từ ngô và mía, cứng và bóng hơn nhựa ABS. Ngoài việc dùng làm nguyên liệu

17


đầu vào cho máy in 3D, nhựa PLA còn được ứng dụng để sản xuất các loại bao bì phân
hủy được.

Hình 1.11: Hình ảnh vật liệu nhựa in
Sợi nhựa dùng cho máy in 3D có giá thành khá đắt. Hãng MakerBot bán 2,2
pound (990 gram) sợi nhựa PLA giá 48 USD (960.000 đồng). Nếu tìm mua trên eBay
giá thành sẽ rẻ bằng một nửa. Hãng này ước tính 990 gram sợi nhựa có thể in ra được

392 quân cờ vua.
Giá thành sợi nhựa sẽ giảm xuống nếu các loại máy in 3D trở nên phổ biến và
sợi nhựa được sản xuất với quy mô lớn. Có một cách khác để giảm giá thành đầu vào
là bạn sử dụng máy ép sợi nhựa. Bạn đưa nguyên liệu nhựa tái chế hoặc nhựa giá rẻ
vào máy ép để tạo ra các sợi nhựa.
Khi đã có sợi nhựa, bạn đưa vào máy in 3D qua một bộ phận gọi là đầu in (print
head). Đầu in có hình dáng như một chiếc hộp với một vòi phun. Một cơ cấu truyền
động sẽ đẩy từng phần nhựa xuống đầu in. Trước khi nhựa bị đùn ra từ đầu kim in, sợi
nhựa phải đi qua một ống nhiệt và hóa lỏng. Nhựa qua đầu kim in là những đường chỉ
siêu mảnh chỉ 0,1 milimet. Ngay khi ra ngoài không khí, nhựa khô cứng rất nhanh, gắn
lại với nhau tạo thành các lớp.

18


Hình 1.12: Hình ảnh quá trình in lớp thứ nhất
Nhựa ABS cần được in ở một bề mặt nóng, điều này cũng đồng nghĩa với lớp
nhựa đáy sẽ hơi cuộn lại. Còn nhựa PLA có thể in ở bề mặt không cần nhiệt lượng.
Phần lớn các máy in 3D có một đầu in, tức là vật thể in ra chỉ có một màu.
Muốn có nhiều hơn một màu, người ta sẽ phải đổi sợi nhựa trong quá trình in. Có một
số loại máy in, chẳng hạn như loại máy in mới nhất của MakerBot ký hiệu là
Replicator 2x có 2 đầu in. Nó cho phép người ta in ra vật thể với hai màu. Công ty
botObjects có trụ sở ở New York còn hứa hẹn sẽ cho ra thị trường loại máy in có khả
năng trộn các sợi nhựa để in ra được vật thể đầy đủ các màu.
In từ trước ra sau, lớp chồng lớp
In 3D là một công nghệ in theo lớp. Bề mặt in (thường gọi là giường in) và đầu
in sẽ phối hợp với nhau để thực hiện in 3 chiều. Ở mẫu máy in Replicator 2, đầu in
được giữ bởi một hệ thống treo (hình minh họa bên dưới). 2 thanh kim loại nằm ngang
giúp cho đầu in chuyển động tiến và lùi theo chiều ngang. Ở đầu 2 thanh kim loại này
lại gắn với 2 thanh khác theo chiều dọc, giúp cho đầu in chuyển động tiến và lùi theo

chiều dọc. Nhờ hệ thống treo, đầu in còn có thể chuyển động lên xuống tạo ra vật thể 3
chiều.
19


Một mẫu máy in có tên là RepRaps lại có cách in 3D tương đối khác so với
Replicator 2. Giường in của RepRaps chuyển động lên xuống, tiến lùi, trong khi đầu in
chỉ chuyển động ngang. Mẫu máy in DeltaMaker có đầu in chuyển động cả 3 chiều.
Quá trình in 3D có thể diễn ra trong vài phút, vài giờ hoặc thậm chí nhiều ngày
phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của sản phẩm. Ví dụ gần đây một số nghệ sĩ
đã sử dụng máy in Type A Machines để in tác phẩm điêu khắc đầu rồng có kích thước
3 x 3 x 2,4m. Họ đã phải mất tới 2 tháng để hoàn thành tác phẩm trên.
g) Máy in 3D không chỉ in nhựa

Hình 1.13: Hình ảnh sản phẩm từ máy in 3D

Không phải máy in 3D nào cũng sử dụng nguyên liệu in như nhau. Các máy in
3D chuyên nghiệp có khả năng tạo ra những sản phẩm chất lượng cao từ các nguyên
liệu đa dạng. Ở công xưởng Shapeways, những chiếc máy in 3D kích thước lớn tạo ra
nhiều sản phẩm cùng lúc. Nguyên liệu không chỉ giới hạn ở nhựa ABS và PLA. Nó có
thể là đồng thau, gốm sứ, thép và 5 loại chất dẻo khác.
20


Một số loại máy in 3D sử dụng công nghệ đúc laser, tức là sử dụng laser để gắn kết
các mảnh vật liệu lại với nhau. Một số bằng sáng chế về đúc laser sẽ hết hạn vào năm tới,
mở đường cho việc sản xuất hàng loạt các máy in 3D dành cho người tiêu dùng.
Form1 của phòng thí nghiệm FormLabs là một mẫu máy in sử dụng công nghệ
in phi truyền thống tân tiến nhất sẽ sớm được thương mại hóa. Các máy in kim loại và
máy in lai (giữa in truyền thống và phi truyền thống) sẽ là những thiết bị kế tiếp có mặt

trên thị trường tiêu dùng.
1.2.4. Một số ứng dụng của máy in 3D
a) Ứng dụng máy in 3D vào lĩnh vực y tế, thay thế thạch cao

Cử nhân Jake Evil của đại học Victoria University of Welington đã tạo ra
Cortex giải pháp có khả năng năng thay thế thạch cao dùng để cố định tay gãy truyền
thống. Cortex có những đặc điểm nổi bật như trọng lượng nhẹ và tạo cảm giác thoải
mái khi sử dụng.

21


Hình 1.14: Khuôn nhựa cố định tay gãy, thay thế thạch cao
-

Bây giờ, một công trình mang tên Osteoid của nhà nghiên cứu Deniz Karasahin còn
hoàn thiện hơn Cortex nhiều khi được tích hợp thêm một thiết bị siêu âm, giúp rút
ngắn thời gian chữa bệnh lại. Deniz Karasahin cho biết,"Osteoid cải thiện tới 80% so
với cách bó bột bằng thạch cao thông thường".

-

Osteoid đã dành giải thưởng A'Design năm nay cho mục các sản phẩm được in bằng
máy in 3D, được lấy cảm hứng từ các cấu trúc hình bên trong xương người. Karasahin
viết rằng, Osteoid có trọng lượng siêu nhẹ và người dùng có thể chọn lựa những màu
sắc mà họ muốn. Quan trọng nhất của sản phẩm này nằm ở thiết bị siêu âm tích hợp
sẵn. Thiết bị này sẽ phát ra xung siêu âm cường độ thấp (LIPUS) để tìm vị trí đoạn

22

xương gãy, đồng thời thúc đẩy quá trình liền xương, hiệu quả hơn 80% so với cách cố
định xương bằng thạch cao truyền thống.
-

Osteoid chỉ mới đang ở giai đoạn thử nghiệm đầu tiên. Bước tiếp theo, Karasahin định
phát triển sản phẩm thành dụng cụ bảo hộ cho những người thường xuyên vận động,
nhất là các diễn viên đóng thế. Hy vọng trong tương lai, Osteoid sẽ dần phổ biến và
thay thế được thạch cao bó bộ truyền thống.

b) Nội tạng tí hon làm từ công nghệ in 3D
-

Nhóm nghiên cứu của Viện Wake Forest tái lập trình các tế bào da người thành tế bào
tim. Khi tế bào sau đó kết thành khối, họ sử dụng máy in 3D để biến thành hình dạng
và kích thước mong muốn, trong trường hợp này là những trái tim có đường kính 0,25
mm.

-

Các nhà khoa học tiếp tục phát triển những cơ quan sinh học tí hon, cho phép chúng
bắt chước hoạt động của các bộ phận thật. Các cơ quan được nối với nhau, tạo thành
một hệ thống hoàn chỉnh có thể sử dụng trong thí nghiệm điều trị mới hoặc nghiên cứu
ảnh hưởng của chất hóa học, virus.

-

Theo New Scientist, phương pháp trên có thể thay thế các thí nghiệm trên động vật,
vốn đắt đỏ và không phải lúc nào cũng ứng dụng được trên cơ thể người

c) Tạo mô hình côn trùng từ máy in 3d
-

Máy in 3D càng ngày càng chứng tỏ được tính hữu ích của mình.

23


Hình 1.15: Mô hình côn trùng được in bằng máy in 3D
-

Một cơ quan khoa học của Úc là “Commonwealth Scientific and Industrial Research
Organisation” (CSIRO) đã quyết định ứng dụng công nghệ in 3D vào nghiên cứu côn
trùng. Tận dụng khả năng của loại máy in tiên tiến, các chuyên gia sẽ tiến hành tái tạo
hình dáng của nhiều loại côn trùng với tỷ lệ gấp hàng chục thậm chí hàng trăm lần so
với nguyên mẫu ban đầu.

-

Các nhà khoa học cho biết nhờ vậy, họ sẽ có thêm các mẫu vật để nghiên cứu đặc tính,
kết cấu chức năng của từng bộ phận trên cơ thể côn trùng. Bên cạnh đó, các sản phẩm
từ máy in 3D này có kích thước chiều dài từ 10 đến 20cm sẽ là giáo cụ trực quan hỗ
trợ rất tốt cho công việc giảng dạy. Mặt khác, các mô hình do CSIRO tạo ra cũng sẽ
được đưa tới một cuộc triển lãm mang tầm quốc gia.

-

Anh Eleanor Gates-Stuart, một nhà khoa học đang làm việc tại CSIRO cho biết chiếc máy
in 3D họ đang sử dụng có thể in cùng lúc 12 mẫu côn trùng khác nhau một lần với thời gian
hoàn thiện là 12 tiếng. CSIRO cũng dự kiến sẽ giới thiệu bộ sưu tập rất nhiều mẫu vật sinh

động về thế giới côn trùng của mình trong tương lai không xa.

24


d) Ứng dụng không giới hạn
-

Các công ty chế tạo sản phẩm công nghệ hiện nay, từ Apple, Microsoft đến Google,
đều ứng dụng công nghệ 3D trong quá trình nghiên cứu. Bằng cách liên tục chỉnh sửa
thiết kế và in chúng ra, các nhà thiết kế có thể so sánh và đánh giá mức độ hữu dụng,
tính thực tế của mẫu sản phẩm.

-

Trên khắp thế giới, người ta đã bắt đầu mày mò để ứng dụng công nghệ in 3D vào các
lĩnh vực khác, trong đó có y tế, với khả năng tạo ra các bộ phận giả cho con người. In
3D có thể giúp các bác sĩ nhanh chóng tạo ra giải pháp chữa bệnh mà không quá tốn
kém hay mất thời gian. Còn các nhà giáo dục và nghiên cứu cũng đang hưởng ứng tính
năng tạo các mô hình trực quan hay biểu đồ phức tạp từ in 3D. Công nghệ 3D còn xuất
hiện trong các dự án của NASA, quay lại gốc của chính nó: giúp tạo ra công cụ ngoài
không gian.

-

Nhưng tiềm năng lớn nhất mà nhiều người mong đợi, đó là biến công nghệ in 3D
thành một tiện ích phổ biến trong các hộ gia đình như điện, nước và mạng internet.
Nghe có vẻ rất viễn tưởng nhưng nếu công nghệ này đạt được thành công đó, nó sẽ
phá vỡ văn hóa tiêu dùng. Người ta sẽ có thể tự tạo ra sản phẩm phục vụ cho đời sống
thay vì phải ra cửa hàng để mua chúng. Để có thể đạt được kỳ vọng này, công nghệ 3D

đã “phá băng” bằng hai mảng quan trọng: Dịch vụ in 3D và kinh doanh máy in 3D.

25