In 3D là gì và vì sao chi tiết đầu tiên đắt hơn chi tiết thứ hai?

Trước hết, hãy bắt đầu bằng một định nghĩa chính thức. Tiêu chuẩn quốc gia hiện hành của Nga về công nghệ sản xuất bồi đắp định nghĩa in 3D là một quy trình công nghệ bồi đắp — “quy trình tạo ra vật thể dựa trên mô hình hình học điện tử bằng cách bổ sung vật liệu theo từng lớp” (tiêu chuẩn quốc gia Nga “Công nghệ sản xuất bồi đắp. Thuật ngữ và định nghĩa”).

Nói đơn giản hơn: in 3D là quá trình máy tạo nên một chi tiết thật, từng lớp một, theo thiết kế kỹ thuật số. Máy không cắt vật liệu khỏi phôi như máy phay, cũng không đổ vật liệu vào khuôn, mà tạo hình bằng cách bổ sung vật liệu.

Ở đây, tôi chưa đi sâu vào từng công nghệ in 3D với nhựa, nhựa quang hóa, bột hay kim loại. Tôi muốn nói về toàn bộ quy trình. Bởi đây chính là điều mà những người đặt in chi tiết đầu tiên thường chưa hiểu rõ.

Một cuộc đối thoại thường xuyên xảy ra

Tôi đã nghe cuộc đối thoại dưới đây hàng chục lần. K là khách hàng tiềm năng, còn Đ là đơn vị thực hiện.

K: Bên anh có in được tay nắm tủ lạnh không? Giá bao nhiêu?

Đ: Được. In một tay nắm có giá 500 rúp.

K: Tốt quá, vậy in giúp tôi nhé.

Đ: Anh đã có mô hình 3D của tay nắm chưa? Nếu chưa, chi phí dựng mô hình là 5.000 rúp.

K: Tức là tôi phải trả tổng cộng 5.500 rúp cho tay nắm này? Trong khi tôi chẳng cần mô hình 3D, tôi chỉ dùng cái tay nắm giá 500 rúp thôi mà!

Đ: Đúng vậy. Nếu chưa có mô hình 3D, tay nắm đầu tiên sẽ có giá 5.500 rúp. Nhưng tay nắm thứ hai chỉ còn 500 rúp.

Các mức giá ở đây chỉ nhằm minh họa sự khác biệt giữa chi phí chuẩn bị và chi phí chế tạo sản phẩm, không phải báo giá thực tế.

Vì sao lại như vậy?

Chính từ “in” dễ khiến người không chuyên hiểu nhầm. Chúng ta đã quen với việc in một văn bản từ phần mềm soạn thảo bằng máy in thông thường: đơn giản và nhanh chóng. Nhấn nút là có một tờ giấy.

Nhưng in 3D là một quy trình sản xuất. Nếu xem đây là toàn bộ chuỗi công việc từ ý tưởng đến vật thể hoàn chỉnh, quy trình có thể chia thành ba giai đoạn.

Giai đoạn 1. Dựng mô hình 3D trong phần mềm CAD

Trước hết, chi tiết phải tồn tại dưới dạng kỹ thuật số. Kỹ sư lấy kích thước từ mẫu thực hoặc bản vẽ, tính toán cách chi tiết sẽ hoạt động, rồi dựng mô hình trong phần mềm CAD — phần mềm thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính. Đây gần như hoàn toàn là công việc do con người trực tiếp thực hiện.

Khoản 5.000 rúp trong cuộc đối thoại chủ yếu nằm ở giai đoạn này. Không thể chỉ vẽ tay nắm sao cho “trông giống”. Nó phải lắp vừa các vị trí liên kết sẵn có, chịu được tải khi sử dụng và không bị gãy sau một tuần.

Nếu vẫn còn chi tiết gốc, có thể quét 3D. Tôi đã trình bày chi tiết cách thực hiện trong bài “Máy quét 3D hoạt động như thế nào”. Tuy nhiên, dữ liệu quét cũng chưa phải mô hình thiết kế hoàn chỉnh: từ dữ liệu đó, vẫn cần dựng lại một mô hình CAD đúng kích thước và phù hợp về cấu trúc. Đây chính là công việc kỹ thuật ngược.

Ngay cả mô hình 3D do trí tuệ nhân tạo tạo ra cũng gần như luôn cần được chỉnh sửa và hoàn thiện thủ công: lưới không kín, thành quá mỏng hoặc sai tỷ lệ. Tôi đã nói kỹ hơn về những vấn đề này trong bài “Định luật vật lý đối đầu với mô hình 3D”.

Giai đoạn 2. Chuyển mô hình thành mã G-code

Mô hình hoàn chỉnh được đưa vào phần mềm cắt lớp, hay slicer. Phần mềm “cắt” chi tiết thành hàng trăm lớp mỏng, rồi tính toán đường di chuyển của đầu in, tốc độ, nhiệt độ và lượng cấp vật liệu cho từng lớp. Kết quả là một chương trình điều khiển bằng mã G-code.

Ở đây cần hiểu một điều: máy in 3D thực chất gần với một máy công cụ điều khiển số hơn là máy in thông thường. G-code cũng là ngôn ngữ lệnh dùng để điều khiển máy phay và máy tiện CNC. Tại Nga, quy tắc mã hóa các chương trình như vậy đã được quy định trong tiêu chuẩn GOST 20999-83.

Giai đoạn này được thực hiện hoàn toàn tự động và gần như không phát sinh chi phí tính toán đáng kể: máy tính tạo G-code trong vài giây hoặc vài phút.

Giai đoạn 3. Tiến hành in 3D

Máy nhận chương trình và tạo nên chi tiết theo từng lớp. Đây cũng là giai đoạn tự động, nhưng tiêu tốn nguồn lực đáng kể: vật liệu, điện năng và thời gian vận hành thiết bị — nhiều giờ, thậm chí một ngày hoặc hơn đối với chi tiết lớn.

Bù lại, có thể lặp lại giai đoạn này bao nhiêu lần tùy nhu cầu. Mô hình và G-code đã có sẵn, nên tay nắm thứ hai, thứ mười hay thứ một trăm chủ yếu chỉ còn chi phí vật liệu và thời gian chạy máy.

Kết luận: không chỉ là nhấn nút “In”

Như vậy, in 3D không đơn giản là nhấn nút “In”. Giai đoạn tốn kém nhất và phụ thuộc nhiều nhất vào con người là dựng mô hình. Công việc này chỉ cần thực hiện một lần, nhưng lại quyết định chi phí của sản phẩm đầu tiên.

Xét toàn bộ quy trình, tổng chi phí vẫn thấp hơn nhiều so với làm thủ công hoặc triển khai sản xuất hàng loạt. Quan trọng hơn, quy trình có thể lặp lại và cho ra kết quả có tính tái lập. Công nghệ đúc cần khuôn — một dạng dụng cụ sản xuất đắt tiền, thường chỉ thu hồi được chi phí khi sản xuất số lượng lớn. Vì vậy, trong khi công nghệ truyền thống phù hợp với sản xuất đại trà, sản xuất bồi đắp đặc biệt có lợi với lô nhỏ và các chi tiết phức tạp, được chế tạo riêng (nguồn: CyberLeninka).

Mô hình 3D còn có một đặc điểm mà tay nắm không có: nó không bị gãy. Nếu một năm sau cần thêm một tay nắm, mô hình đã sẵn sàng. Bạn có thể in chiếc mới với giá 500 rúp thay vì phải trả lại từ đầu 5.500 rúp.

Nếu bạn cần chế tạo chi tiết nhưng chưa có mô hình, các kỹ sư in 3D của ATRIMUT sẽ dựng mô hình, lựa chọn vật liệu và in sản phẩm — từ chiếc đầu tiên đến những chiếc tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

Nói đơn giản, in 3D là gì?

Đó là quá trình chế tạo vật thể từ mô hình 3D kỹ thuật số. Máy bổ sung từng lớp vật liệu — nhựa, nhựa quang hóa, bột hoặc kim loại — để tạo thành chi tiết.

Vì sao in một chi tiết khi chưa có mô hình lại đắt?

Vì trước tiên, kỹ sư phải trực tiếp dựng mô hình 3D: lấy kích thước, tính toán kết cấu và xây dựng mô hình trong phần mềm CAD. Đây là phần công việc chính. Chi phí in từ mô hình có sẵn thường thấp hơn nhiều lần.

G-code trong in 3D là gì?

Đó là chương trình điều khiển máy in 3D: tập hợp các lệnh quy định đầu in di chuyển đến đâu, với tốc độ nào và cấp bao nhiêu vật liệu. Máy công cụ CNC cũng sử dụng loại ngôn ngữ lệnh này.

Khi nào in 3D có lợi hơn đúc hoặc làm thủ công?

Khi chế tạo đơn chiếc, lô nhỏ hoặc các chi tiết phức tạp. Công nghệ đúc cần khuôn đắt tiền, thường chỉ thu hồi được chi phí với số lượng lớn; còn làm thủ công mất thời gian và không bảo đảm các sản phẩm giống hệt nhau.

Có thể in chi tiết từ ảnh chụp không?

Chỉ có thể làm gần đúng. Ảnh chụp giúp ước lượng hình dáng, nhưng kích thước chính xác và các vị trí lắp ghép vẫn phải được đo từ mẫu thực hoặc lấy từ bản vẽ. Cách đáng tin cậy hơn là quét chi tiết hoặc giao cho kỹ sư đo đạc.