Công nghệ in 3D FDM và những điều bạn cần biết

Giới thiệu về công nghệ in 3D FDM

Công nghệ in 3D bằng phương pháp FDM là một phương pháp sản xuất sản phẩm trong đó các lớp vật liệu được kết hợp với nhau theo một mẫu để tạo ra một vật thể hoàn chỉnh. Vật liệu sẽ được sử dụng nhiệt để làm nóng chảy vật liệu sau đó đùn mẫu lên cạnh hoặc lên trên các lần ép đùn trước đó, tạo ra từng lớp từng lớp của sản phẩm. 

Lịch sử ra đời của công nghệ FDM

Công nghệ in 3D FDM đã được phát triển bởi S.Scott Crump vào năm 1980 của hãng Stratasys. Stratasys đã bán chiếc máy in sử dụng công nghệ FDM đầu tiên mang tên “3D Modeler” vào năm 1992 và vật liệu sử dụng trong FDM là các loại nhựa nhiệt dẻo như ABS, polyamide, nylon và sáp.

Công nghệ FDM của Stratasys hiện này đã ngày càng phát triển tầm cỡ công nghiệp. Tuy nhiên từ những năm 2009 thì sự phát triển vượt trội của các máy in 3D lại dựa trên phương pháp Fused Filament Fabrication (FFF)  của công ty MakerBot vì độ chính xác, hiệu suất và chất lượng vượt trội.

Tốc độ in của công nghệ in 3D FDM phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của đối tượng được in. Các đồ vật nhỏ có thể in trong khoảng thời gian ngắn trong khi các bộ phận phức tạp đòi hỏi nhiều thời gian hơn để đạt kỹ xảo tốt hơn nên so với kỹ thuật SLA, FDM thực hiện in chậm hơn.

Vì giá thành máy và vật liệu in 3D FDM rẻ nên công nghệ này đang là một trong những công nghệ in 3D phát triển mạnh nhất hiện nay.

Cấu tạo của hệ thống in

Một hệ thống in 3D FDM gồm có:

• Máy tính và hệ thống phần mềm: Máy tính đọc file 3D dưới dạng đuôi STL. Sau đó dùng phần mềm cắt tách để điều chỉnh kích thước, vị trí và hướng đặt mô hình. Sau đó phần mềm sẽ thực hiện chỉnh sửa các số liệu, cài đặt thông số để phần mềm xuất ra file GCODE cho máy in đọc.
• Cơ cấu điều khiển đầu in: Đầu in di chuyển theo theo phương X và Y thông qua motor sau đó “vẽ” từng lớp in 2D theo đúng như thiết kế của chi tiết đã phân tích. Độ chính xác của một chi tiết in 3D do độ chắc chắn của đầu in và chất lượng của động cơ và cảm biến điều khiển của bàn in quyết định.
• Đầu in và hệ thống ép đùn: Hệ thống ép đùn chịu trách nhiệm gia nhiệt và đùn vật liệu in 3D bằng nhựa nhiệt dẻo qua vòi phun để tạo nên sản phẩm. Kích thước vòi phun và tốc độ đùn nhựa tác động đến độ chính xác và tốc độ in mà máy in đạt được. Độ rộng của đường đùn có thể thay đổi trong khoảng từ 0,193mm đến 0,965mm và được xác định bằng kích thước của miệng đùn.
• Bàn in và hệ thống chuyển động trục Z: Bàn in là nơi chứa sản phẩm in, đầu in sẽ ép đùn vật liệu lên bàn in. Trong quá trình in, hệ thống chuyển động trục Z di chuyển theo từng bước bằng nhau để tạo ra các lớp cấu thành chi tiết in. 
• Sợi nhựa nhiệt dẻo hay sáp
• Cơ cấu cung cấp sợi nhựa

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động chi tiết của công nghệ in 3D FDM như sau:

• Mô hình sản phẩm được tạo ra bởi phần mềm CAD, sử dụng file JGES hoặc file STL để máy in đọc được dữ liệu.
• File CAD được cắt thành từng lớp, sau đó được xử lý bởi phần mềm QuickSlide và Supportwork. Từ đó, cấu trúc đỡ chi tiết được tự động tạo ra nếu cần thiết cho việc hoàn thiện sản phẩm.
• Vật liệu cung cấp sau khi qua đầu phun được gia nhiệt sẽ nóng chảy và đùn ra tấm đế theo đường dẫn bởi Quickslide tạo ra lớp đầu tiên. Chiều rộng của vật liệu thoát ra có thể thay đổi trong khoảng từ 0,254mm đến 2,54mm.
• Khi từng lớp vật liệu hoàn thành, đầu phun của máy FDM sẽ di chuyển theo phương Z để tạo ra lớp kế tiếp. Lớp vật liệu vừa được đùn từ vòi ra sẽ liên kết với lớp vật liệu trước đó. Quá trình lặp lại cho đến khi mẫu được tạo ra hoàn chỉnh đến từng chi tiết.

Những ưu, nhược điểm của công nghệ in 3D FDM

Mỗi công nghệ in sẽ có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Sau đây là những thông tin về công nghệ FDM mà bạn đọc có thể tham khảo.

Ưu điểm

Máy in 3D FDM được người dùng ưu tiên lựa chọn dễ dàng thay thế và sửa chữa các bộ phận mà lại có giá thành phải chăng và dễ tìm kiếm. Bên cạnh đó, loại máy in này chỉ sử dụng ít nguyên liệu và có thể in với một số lượng lớn cũng như tốc độ tạo hình 3D khá nhanh nên được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.

Khác với những công nghệ in 3D như LOM, SLS hay SLA phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm, công nghệ in 3D FDM có quá trình tạo mẫu đơn giản và nhanh chóng, chế độ bảo dưỡng hay bảo trì đều được thực hiện dễ dàng. Trong suốt quy trình in ấn, máy in FDM ít tạo ra tiếng ồn, sử dụng nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi nên không làm ảnh hưởng đến môi trường.

Đây là một trong những công nghệ in lý tưởng cho những nhà máy sản xuất có các sản phẩm chịu lực tốt để phát huy tối đa năng lượng.

Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm như trên, máy in 3D FDM cũng còn một vài hạn chế khá đáng kể như: độ chính xác từng chi tiết của sản phẩm chưa cao và bề mặt của chi tiết in không được mịn đẹp như một vài công nghệ in khác. Bên cạnh đó, chúng cũng ít được sử dụng trong việc lắp ráp bởi độ chính xác của công nghệ FDM không được đánh giá cao và sự chịu lực cũng không được đồng nhất giữa các thiết bị. Vì vậy, người dùng nên tham khảo kỹ lưỡng trước khi lựa chọn.

Ứng dụng của công nghệ in 3D FDM trong thực tế

Công nghệ in 3D FDM hiện đại có thể tạo ra những sản phẩm phức tạp hay có khoảng rỗng bên trong với vỏ ngoài kín hay có tính chất trừu tượng. Vì vậy, công nghệ này có thể tạo ra những mẫu vật, bộ phận thay thế cho xương người, hộp sọ, tay chân giả trong ngành y học. Ngoài ra, công nghệ FDM còn tạo ra những chi tiết như hộp sọ, xương tay, xương chân, các bộ phận trên cơ thể con người để phục vụ cho ngành giáo dục y học.

Đối với ngành kỹ thuật, công nghệ in 3D FDM còn tạo ra những chi tiết hình học có thể hỗ trợ kiểm tra hình dạng và chức năng trước khi đưa vào chế tạo thật sự, giúp giảm thời gian tạo mẫu cho chi tiết thiết kế các sản phẩm. Người dùng cũng có được các văn phòng thiết kế, cờ-lê, nối ống dẫn trong các hệ thống cung cấp nước làm mát cho máy, cấp khí cho những hệ thống phức tạp…

Công nghệ này cũng đang dần tham gia vào sản xuất đồ chơi cho trẻ em vì khi in thì công nghệ này sẽ dùng những vật liệu nhựa thân thiện với môi trường nên rất an toàn cho trẻ nhỏ. Thêm vào đó, đây còn được đưa vào để hỗ trợ ngành nghệ thuật hội họa với những mô hình mang tính chất nghệ thuật, tượng người, tòa nhà nổi tiếng có thể dần trở thành thực tế phục vụ nhu cầu của con người.

Phần kết

Trên đây là những thông tin về công nghệ in 3D FDM, nguyên lý hoạt động và đặc điểm chi tiết về công nghệ này. Hy vọng người tiêu dùng có thể tham khảo và đưa ra sự lựa chọn chính xác.