Được xem là một trong những công nghệ tiên tiến và nhiều tiềm năng nhất của thế kỷ 21, công nghệ in 3D đang phát triển rất sôi động và đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, xây dựng, giáo dục, y tế,…, thậm chí cả trong nghệ thuật. In 3D đã có mặt trong hầu hết các hoạt động kinh tế - xã hội trên toàn thế giới và Việt Nam, trong thời gian gần đây.
Công nghệ in 3D và những tiềm năng ứng dụng phong phú
Khác với các quy trình sản xuất truyền thống, để có được sản phẩm hoàn chỉnh đòi hỏi người ta phải thực hiện các nguyên công cắt gọt (khoan, dập, tiện, phay, bào,…) trên một khối vật liệu, công nghệ in 3D (3D Printing, hay còn gọi là Công nghệ sản xuất bồi đắp - Additive Manufacturing) là phương thức mới để sản xuất một đối tượng bằng cách tạo ra nó từ từ, bằng các khối vật liệu từ các tệp mô hình 3D. Quá trình in 3D bắt đầu bằng việc sử dụng phần mềm thiết kế hoặc quét 3D để tạo ra một mô hình số 3D của đối tượng. Sau đó, máy in 3D sẽ đọc tệp mô hình này và sản xuất ra đối tượng bằng cách xếp các lớp vật liệu lên nhau (thường là nhựa hoặc kim loại, gần đây là nhiều loại vật liệu khác như socola, bột đường, vật liệu y sinh,...) theo thứ tự được chỉ định trong tệp mô hình, cho đến khi hoàn thành đối tượng.
Hiệp hội Vật liệu và Thí nghiệm Hoa Kỳ (ASTM) đã phân chia công nghệ in 3D theo 7 quy trình chính. Tùy theo từng quy trình mà có các công nghệ và vật liệu in được các nhà khoa học nghiên cứu, phát triển thích hợp để triển khai trong thực tiễn.
Nhờ có thể tạo ra các đối tượng có độ phức tạp cao, đa dạng, với nhiều kích thước khác nhau một cách nhanh chóng, tiết kiệm chi phí so với các phương pháp sản xuất truyền thống, theo một báo cáo của Công ty nghiên cứu thị trường Markets&Markets (Mỹ), thị trường in 3D toàn cầu ước đạt giá trị khoảng 15 tỷ USD vào năm 2023, dự kiến sẽ đạt 34,5 tỷ USD vào năm 2028, với tốc độ tăng trưởng kép là 18,1%. Sự phát triển của công nghệ in 3D được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng của các ngành, và rất đa dạng:
Trong ngành công nghiệp ô tô, các nhà sản xuất xe hơi lớn của Mỹ như Ford, GE và Mattel đã sử dụng in 3D để cắt giảm chi phí và thời gian sản xuất trong giai đoạn tạo mẫu. Ford sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo các xylanh dùng trong động cơ EcoBoost (sử dụng trong xe đua) nhằm giảm nhiên liệu tiêu thụ; công đoạn này giảm khoảng 20-45% thời gian sản xuất. GE ứng dụng công nghệ in 3D trong quá trình sản xuất đầu dò siêu âm, giúp cắt giảm khoảng 30% chi phí hoạt động,…
Trong công nghiệp điện tử, máy in 3D được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau. Hãng Cartesian (Úc) đã tạo ra máy in 3D Argentum, phun mực dẫn điện (làm bằng các hạt nano bạc) lên giấy, vải, acrylic, nhựa, MDF và nhiều chất liệu sợi thủy tinh khác, tạo ra các bo mạch cứng và linh hoạt, thậm chí, có thể dệt vào quần áo.
Trong lĩnh vực năng lượng, Siemens đã chế tạo và thử nghiệm thành công cánh quạt turbine khí bằng công nghệ in 3D, mở đường cho việc in các thiết bị nặng trong thực tiễn bằng công nghệ in 3D, không chỉ để chế tạo các mô hình hoặc nguyên mẫu. Một cánh turbine khí từ thiết kế của Siemens được in ra chỉ mất hai tháng, trong khi thời gian để sản xuất theo công nghệ thông thường mất đến hai năm.
In 3D đã xâm nhập vào công nghệ hàng không, giúp tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị cao nhưng trọng lượng nhỏ. Airbus là hãng hàng không đầu tiên áp dụng công nghệ in 3D để tạo ra nhiều bộ phận cho máy bay. Các sản phẩm tạo ra nhờ công nghệ in 3D tốt hơn, chắc hơn, nhẹ hơn từ 50-80% (cứ giảm bớt được 220 kg trọng lượng thì Airbus tiết kiệm được 2,5 triệu USD tiền mua nhiên liệu mỗi năm). Hãng Boeing cũng đã ứng dụng công nghệ in 3D để in hàng trăm bộ phận khác nhau cho máy bay,….
Đối với ngành y tế và chăm sóc sức khỏe, công nghệ in 3D rất hữu ích trong sản xuất các mô hình sinh học (các mô hình bộ phận con người như xương, răng, tai giả,…), cho phép bác sỹ thực hiện phẫu thuật thuận lợi hơn nhờ hiểu biết sâu hơn về cơ thể bệnh nhân và các chẩn đoán được chính xác hơn. Qua đó, kế hoạch phẫu thuật chi tiết hơn, các thử nghiệm, diễn tập phẫu thuật hay hướng dẫn trong ca mổ đảm bảo về tính chính xác và chất lượng. Công nghệ in 3D còn được dùng để thiết kế và sản xuất các bộ phận cơ thể phục vụ phẫu thuật tái tạo và cấy ghép theo đúng như kích thước, hình dạng, đặc điểm của từng bệnh nhân. Với công nghệ in sinh học (bio-printing), hệ thống tế bào mô của con người có thể được in theo lớp bằng mực sinh học (mực thu được qua xử lý đặc biệt các tế bào con người và các chất khác). Mặc dù vẫn còn một số vấn đề về sự ổn định và chức năng cấu trúc trong in sinh học, nhưng đã có những tiến bộ đáng kể với mô người và các cơ quan, hứa hẹn nhiều cơ hội quý báu để phát triển thuốc, điều trị thử nghiệm, nghiên cứu y học, chữa lành vết thương, và cả cấy ghép. Nếu các cơ quan này được in ra từ các tế bào gốc của bệnh nhân, nó sẽ ít có nguy cơ bị đào thải bởi hệ miễn dịch của người đó.
Các sản phẩm in 3D có thể dùng để cấy trực tiếp vào trong cơ thể người. Ví dụ, do hình dạng của khớp gối rất phức tạp, khi gắn khớp nhân tạo, chỉ cần điều chỉnh rất nhỏ về góc độ cũng có thể giúp giảm đáng kể áp lực lên đầu gối. In 3D cũng được dùng để sản xuất hộp sọ nhân tạo. Thường trước đây người ta dùng titan để cấy ghép, tuy nhiên, khi bệnh nhân tái phát, rất khó xác định vị trí phần titan đã được sử dụng. Nếu sử dụng công nghệ in 3D, khắc phục ngay được nhược điểm này. In 3D còn rất hữu dụng trong giả lập mô phỏng phẫu thuật. Với ngành dược, tương lai các hiệu thuốc (hoặc cả cá nhân) đều có thể tự in các loại thuốc từ các hợp chất cho riêng mình bằng cách sử dụng máy in 3D. Hệ thống cho phép tùy biến, có thể kiểm soát và phân phối thuốc chính xác, giảm thiểu các chi phí và cải thiện đáng kể việc điều trị theo từng cá thể.
Với ngành kiến trúc và xây dựng, in 3D được dùng để thi công các công trình dân dụng, từ cầu cống đến các loại kiến trúc khác nhau. Vật liệu in được sử dụng phổ biến nhất là nhựa và bê tông. Cầu in 3D bằng robot ở Amsterdam là công trình sử dụng các chất liệu kim loại (sắt, thép, nhôm, đồng,…). Các cánh tay robot phối hợp liên tục để in ra các kết cấu phức tạp của cây cầu một cách dễ dàng, khởi đầu từ hai đầu bờ tiến vào giữa, cho đến khi chiếc cầu được nối liền trong khoảng thời gian gần hai tháng.
In 3D cũng có những ứng dụng thiết thực trong ngành giáo dục, đặc biệt liên quan đến các môn học khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học. Sinh viên có thể thiết kế và tạo ra các sản phẩm trong lớp học và có cơ hội thử nghiệm các ý tưởng, vừa học vừa làm với máy in 3D. Cách làm này làm tăng hứng khởi học tập, làm việc theo nhóm, tương tác trong lớp học, cũng như hỗ trợ khả năng sáng tạo, kỹ năng máy tính và khả năng tư duy ba chiều của sinh viên. Có thể nói, các lợi ích lớn nhất của in 3D trong giáo dục là: (1) Khơi gợi hứng thú; (2) Tạo điều kiện phát triển giáo dục STEM; (3) Tiếp cận được với các đối tượng học chưa từng có trước đây; (4) Mở ra nhiều khả năng mới cho việc học tập, và (5) Thúc đẩy kỹ năng giải quyết vấn đề.
Trong ngành sản xuất thực phẩm, qua các vòi phun từng lớp căn cứ theo chương trình được lập trình sẵn bằng máy tính, máy in thực phẩm 3D có thể tạo ra chocolate, bánh, kẹo, mỳ, bánh pizza và các loại đồ ăn nhanh khác,…
Việt Nam và công nghệ in 3D
Tại Việt Nam, nhóm đầu tiên về công nghệ tạo mẫu nhanh được thành lập vào tháng 3/1999 tại khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM với mục đích nghiên cứu và phát triển loại công nghệ mới này. Đến nay, công nghệ in 3D đã nhận được sự đầu tư mạnh mẽ của Chính phủ, các cơ quan quản lý, cơ quan nghiên cứu và các doanh nghiệp. Trong những năm gần đây, nhiều trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ in 3D đã được thành lập tại Việt Nam, cung cấp các dịch vụ in 3D và đào tạo về công nghệ này. Một số sáng chế của người Việt về công nghệ in 3D đã được cấp bằng bảo hộ trong và ngoài nước. Nhiều doanh nghiệp Việt Nam cũng bắt đầu sử dụng công nghệ in 3D để tăng năng suất, giảm chi phí và gia tăng chất lượng sản phẩm.
Tại TP.HCM, đã có khá nhiều nghiên cứu công nghệ in 3D được ứng dụng vào thực tiễn thành công. Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống đặt tại Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, với giải pháp “Máy in 3D VINA FDM”, cho phép thực hiện các mẫu có kích thước 270x250x250mm, bề rộng lớp đùn 0,15 mm, bề dày lớp có thể điều chỉnh vô cấp trong nhỏ nhất 0,15 mm, tốc độ đùn vật liệu 1.200-1.800mm/phút, độ chính xác ± 0,25 mm. Các nhà khoa học ở đơn vị này cũng có “Phần mềm chia lớp cho máy tạo mẫu nhanh FDM” hoạt động dựa trên cấu trúc nhận dạng file STL, xây dựng lại mô hình 3D, tạo hỗ trợ, sau đó chia lớp mô hình và hỗ trợ, cuối cùng là tạo ra dữ liệu gia công để đưa ra lệnh cho máy in 3D. “Cơ cấu tản nhiệt cho hệ thống cấp liệu đầu đùn của máy tạo mẫu nhanh công nghệ đùn kết dính” của đơn vị này đã được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận bảo hộ độc quyền.
Trong xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM cũng có các nghiên cứu về “Bê tông cốt sợi Polypropylene dùng cho in 3D” cho phép tạo ra hỗn hợp bê tông in 3D có ứng suất chảy tĩnh từ 270-700 Pa, độ nhớt 6-12 Pa.s, độ xòe 18-21 cm, độ sụt đo bằng côn mini từ 4-10 cm; “Bê tông dùng cho in 3D sử dụng nhiều loại chất kết dính và cốt liệu khác nhau” sử dụng xi măng PC50, cát sông, nước sạch, phụ gia siêu hóa dẻo, tro bay hàm lượng lớn, silica fume, bột đá vôi và sợi Polypropylene (PP) đã tạo ra loại bê tông cốt sợi PP có khả năng kháng nứt tốt trong quá trình co ngót, có tính chất cơ học và dẻo dai phù hợp để ứng dụng in 3D các cấu kiện thành mỏng và nghiên cứu “Công nghệ bê tông in 3D dùng cho thi công công trình xây dựng” sử dụng vật liệu bao gồm: xi măng PC50, cát sông, nước sạch, phụ gia siêu hóa dẻo, phụ gia điều chỉnh độ nhớt, tro bay loại F, silica fume, sợi phân tán, cho phép tạo ra những công trình có thiết kế kiến trúc độc đáo,… vừa được Sở KH&CN TP.HCM nghiệm thu năm 2022.
Các nhà nghiên cứu tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM đóng góp thêm nghiên cứu “Ứng dụng công nghệ in 3D trong điều trị chấn thương, chỉnh hình” để tạo ra các loại nẹp hỗ trợ điều trị phục hồi (chỉnh hình chân, nẹp ngón tay, nẹp hỗ trợ điều trị chấn thương, nẹp điều trị cổ, cẳng tay,…) cho bệnh nhân có tính cá nhân hóa, trọng lượng nhẹ, đơn giản và nhanh chóng hơn; vật liệu có độ tương thích và an toàn cao cho người bệnh, chống được dị ứng so với phương pháp truyền thống.
Tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM, Viện Công nghệ cao Cirtech có các nghiên cứu về “Học sâu trong công nghệ in 3D”, ứng dụng trí tuệ nhân tạo để thực hiện những tác nghiệp lặp đi lặp lại trong công nghệ in 3D (ví dụ như đưa ra các thông số dữ liệu mẫu) thay cho các kỹ sư thiết kế, giúp giảm bớt chi phí đào tạo, nhất là khi có sự biến động về nhân sự là các kỹ sư thiết kế. Các nhà khoa học ở đây cũng sử dụng trí tuệ nhân tạo để tái tạo dữ liệu đầu vào 2D sau đó chuyển đổi và tối ưu dữ liệu sao cho máy in 3D nhận diện và in ra được sản phẩm từ mô hình 2D. Ngoài ra, việc phát triển công cụ AI để tính phần bù, và tối ưu hóa mật độ rỗng cho cấu kiện (sản phẩm cần in 3D) và tối ưu hóa đến khi cường độ chịu lực phù hợp với yêu cầu cũng đã được thực hiện. Công nghệ này đã được Văn phòng Sáng chế và Nhãn hiệu Hoa Kỳ cấp bằng độc quyền sáng chế.
“Nghiên cứu ứng dụng in 3D trong chế tạo vỏ tàu cao tốc cỡ nhỏ hoạt động trong vùng nước thủy nội địa Việt Nam” là nhiệm vụ KH&CN đã được các nhà khoa học tại Đại học Giao thông vận tải TP.HCM triển khai thành công. Việc ứng dụng công nghệ in khuôn 3D trong quá trình thi công chế tạo tàu cho thời gian thi công khuôn nhanh hơn so với phương pháp thi công truyền thông từ 2-3 lần, tiết kiệm chi phí sản xuất và nhân công cho doanh nghiệp trong quá trình thi công chế tạo. Đây là một hướng đi mới cho các doanh nghiệp chế tạo thân vỏ tàu composite, khi mà các nhu cầu về chế tạo tàu cỡ nhỏ hoạt động ven sông, tuyến ngắn (có kích thước đến dưới 12m, công suất chở không quá 12 người) nhằm kết hợp với các tuyến du lịch thủy nội địa khu vực TP.HCM và các tỉnh Đông Nam Bộ, Tây Nam Bộ để phát triển du lịch xanh hoặc các tuyến xe bus sông, taxi sông đang rất hứa hẹn.
Trong khuôn khổ của Hội thảo “Công nghệ in 3D và một số ứng dụng trong thực tiễn”, được Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN TP.HCM tổ chức vào ngày 23/5/2023, bên cạnh các giải pháp công nghệ vừa nêu, nhiều thành quả và kinh nghiệm thực tế trong việc ứng dụng công nghệ in 3D vào y học như chỉnh hình xương, chỉnh trục, ghép sọ công nghệ titan 3D, phẫu thuật nội soi trong xương,... cũng đã được Đại học VinUniversity giới thiệu. Cũng trong sự kiện này, công nghệ tạo vật liệu y sinh để phát triển sản phẩm cầm máu collagen vi sợi (vốn có tỷ lệ hấp thu cao, khả năng tương thích sinh học cao, không gây các bệnh truyền nhiễm, giảm thời gian phẫu thuật so với sử dụng gạc y tế từ cellulose tái sinh - ORC) và thiết bị in 3D phục vụ cho mục đích này cũng đã được Viện Kỹ thuật Nhiệt đới (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) công bố rộng rãi đến cộng đồng. “Phương pháp chế tạo vật liệu cầm máu trên cơ sở collagen từ vảy cá được biến tính hoá học” của nhóm nghiên cứu tại Viện này đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng bảo hộ độc quyền.
Có thể nói, công nghệ in 3D là một trong những nội dung đang rất được quan tâm phát triển. Gần đây, công nghệ này cũng được xác định rõ trong các định hướng về phát triển, ứng dụng công nghệ tại Việt Nam, ví dụ như tại Chiến lược phát triển Khoa học, Công nghệ và Đổi mới sáng tạo đến năm 2030, ban hành theo Quyết định số 569/QĐ-TTg ngày 11/5/2022 của Thủ tướng Chính phủ. Hy vọng rằng, với các chủ trương thông thoáng, sự hỗ trợ mạnh mẽ của các cấp, các ngành, sự hợp tác tốt hơn của các nhà nghiên cứu, nhà đầu tư và các doanh nghiệp, sẽ có thêm nhiều sáng chế, nhiều công nghệ trong lĩnh vực công nghệ in 3D được nghiên cứu và ứng dụng thành công trong thực tiễn, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội tại Việt Nam.
Tuấn Kiệt
--------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính
[1] TS. Tạ Việt Dũng và cs. Công nghệ in 3D và định hướng lộ trình phát triển tại Việt Nam. https://congnghiepcongnghecao.com.vn/tin-tuc/t24617/cong-nghe-in-3d-va-dinh-huong-lo-trinh-phat-trien-tai-viet-nam.html
[2] Đặng Văn Nghìn. Hiện trạng và chiến lược phát triển công nghệ in 3D của nước ta trong xu thế cuộc Cách mạng 4.0 (Hội nghị KH&CN Toàn quốc về Cơ khí lần thứ 5-năm 2018).
[3] 3D printing helps Ford, GE & Mattel find efficiencies. https://www.3ders.org/articles/20130613-3d-printing-helps-ford-ge-mattel-find-efficiencies.html
[4] Argentum is like a 3D printer for PCBs. https://atmelcorporation.wordpress.com/2015/08/06/argentum-is-like-a-3d-printer-for-pcbs/
[5]Review of Recent Developments in 3-D Printing of Turbine Blades. https://www.researchgate.net/profile/Sahith-Reddy-Madara/publication/318960215_Review_of_Recent_Development_in_3-D_Printing_of_Turbine_Blades/links/5988224745851560584e51ec/Review-of-Recent-Development-in-3-D-Printing-of-Turbine-Blades.pdf
[6] Markets and Markets. 3D Printing Market. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/3d-printing-market-1276.html?gclid=EAIaIQobChMIxaGx6fH7_gIVbMAWBR2IsAjiEAAYASAAEgKO7vD_BwE
[7] Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN TP.HCM. Tài liệu hội thảo“Công nghệ in 3D và một số ứng dụng trong thực tiễn”.