Định luật vật lý và mô hình 3D: vì sao không phải thứ gì cũng in được?

AI tạo sinh và các phần mềm dựng hình 3D hiện đại dễ tạo cảm giác rằng mọi thứ đều có thể. Chỉ sau vài phút, mô hình đã xuất hiện; ta có thể xoay, phóng lớn từng chi tiết và thấy nó rất hoàn hảo. Nhưng nếu mô hình chỉ là bước trung gian để chế tạo một sản phẩm thật, giữa màn hình và thực tế vẫn còn các giới hạn vật lý. Bài viết này giải thích ranh giới đó và cách tính đến nó khi thiết kế.

Mô hình số và vật thể thật khác nhau ở đâu?

Trong đồ họa chuyển động, trò chơi và diễn họa, mô hình 3D có thể chính là sản phẩm cuối cùng. Nó không nhất thiết phải chịu tải, giữ hình dạng khi nguội đi hay có các chi tiết nhìn rõ bằng mắt thường. Ta luôn có thể đưa máy quay lại gần và điều chỉnh ánh sáng để làm nổi bật chi tiết.

Sản xuất bồi đắp thì khác. Mô hình là dữ liệu đầu vào cho thiết bị; kết quả là một vật thể mà con người sẽ cầm trên tay. Ở đây có ít nhất ba nhóm giới hạn độc lập:

1. Giới hạn công nghệ: thiết bị có thể tái tạo ổn định một chi tiết nhỏ đến mức nào.
2. Giới hạn vật liệu: nhựa hoặc nhựa quang hóa thay đổi ra sao khi in, co ngót, đóng rắn và nguội đi.
3. Giới hạn thị giác: trong điều kiện sử dụng dự kiến, con người thực sự nhìn thấy và đọc được gì.

Mô hình có thể không đáp ứng một trong những điều kiện này nhưng vẫn trông rất đẹp trên màn hình.

Vì sao mô hình AI đẹp nhưng chưa chắc in được?

Nhiều công cụ tạo mô hình 3D bằng AI ưu tiên hình thức trực quan. Một bản dựng đẹp không đồng nghĩa với việc mô hình đã đáp ứng yêu cầu chế tạo. Khả năng của từng công cụ khác nhau, nhưng không nên kết luận rằng mô hình có thể in ngay chỉ từ ảnh xem trước. Hình học, độ dày thành, tỷ lệ và điều kiện tạo hình vẫn cần được kiểm tra.

Các vấn đề thường gặp gồm:

• Lưới không kín hoặc hình học phi đa tạp (non-manifold), khiến phần mềm cắt lớp khó xác định đúng mặt trong và mặt ngoài.
• Thành quá mỏng. Với chi tiết FDM cần cầm nắm và sử dụng thực tế, thành mỏng dưới khoảng 1–1,2 mm có thể không đủ tin cậy. Đây không phải giới hạn tạo hình chung cho mọi máy: kết quả còn phụ thuộc đầu phun, vật liệu, hướng in, đường chạy và tải sử dụng.
• Thiếu kích thước vật lý rõ ràng: cần xác nhận đơn vị và đặt tỷ lệ theo milimét hoặc đơn vị thực phù hợp.

Điểm cuối rất dễ bị bỏ qua. Mô hình dài 10 mm và 100 mm có thể trông lớn như nhau trong cửa sổ tự động thu phóng. Nhưng khi thu nhỏ, một số chi tiết sẽ không còn in được hoặc không còn nhìn rõ.

Ví dụ: ký tự chỉ cao 20 micromét

Hãy xét một tình huống: nhà thiết kế đặt lên mô hình một dòng chữ có ký tự cao 20 μm, tức 0,02 mm. Trong phần mềm, ta có thể phóng lớn chữ ra toàn màn hình và đọc dễ dàng. Vậy khi làm thành vật thể thật thì sao? Ở đây, 20 μm là chiều cao toàn bộ ký tự, không phải độ nhô của chữ nổi.

Mắt người phân biệt được gì?

Thị lực thường được mô tả bằng góc. Trong tài liệu nhãn khoa Nga được bản gốc dẫn lại, thị lực bình thường 1,0 tương ứng với góc phân giải chi tiết khoảng 1 phút cung, hay 1/60 độ. Xem tài liệu Eyepress về đánh giá thị lực (tiếng Nga). Giải thích của Retina Center (tiếng Nga) cũng đề cập mối liên hệ với ảnh tạo trên võng mạc. Khả năng phân biệt thực tế còn phụ thuộc độ tương phản, ánh sáng và thị lực từng người.

Quy đổi sang kích thước: ở khoảng cách 25 cm, 1 phút cung tương ứng khoảng 0,073 mm, tức 73 μm. Nhưng nhìn thấy một chi tiết và nhận ra cả ký tự là hai việc khác nhau. Các thị tiêu thông dụng trong bảng đo thị lực có góc toàn bộ khoảng 5 phút cung, còn chi tiết quan trọng khoảng 1 phút cung. Ở khoảng cách 25 cm, 5 phút cung tương ứng khoảng 0,36 mm.

Như vậy, ký tự cao 20 μm nhỏ hơn khoảng 18 lần so với chiều cao thị tiêu đơn giản nói trên. Toàn bộ ký tự còn nhỏ hơn khoảng 3,6 lần so với kích thước chi tiết 0,073 mm.

Con số 0,36 mm dùng để giải thích quy mô của thị tiêu trong điều kiện tham chiếu, không phải chiều cao tối thiểu bảo đảm đọc được mọi phông chữ. Với tiếng Việt, cần kiểm tra riêng dấu thanh và các dấu phụ: khi thu nhỏ, chúng có thể mất nét hoặc dính vào thân chữ.

Máy in có thể tạo ra gì?

Xét thiết bị Elegoo Saturn 4 Ultra 16K làm ví dụ: kích thước điểm ảnh XY được công bố là 14 × 19 μm, theo tài liệu sản phẩm của Elegoo. Một ký tự cao 20 μm chỉ chiếm khoảng một đến hai điểm ảnh theo kích thước này, không đủ để tạo hình các nét của ký tự thông thường. Ngay cả chữ cái đơn giản dạng ma trận 5 × 7 cũng cần nhiều hàng và nhiều cột điểm ảnh.

Hơn nữa, kích thước điểm ảnh không bằng kích thước chi tiết nhỏ nhất có thể chế tạo ổn định. Hướng dẫn thiết kế Form 4 của Formlabs đưa ra giá trị tham chiếu 0,1 mm cho chi tiết nổi và 0,15 mm cho chi tiết lõm: hướng dẫn của Formlabs. Các số liệu này gắn với thiết bị và điều kiện thử nghiệm tương ứng, không phải cam kết chung cho mọi máy quang hóa. Sự truyền ánh sáng trong nhựa, mức phơi sáng, đặc tính vật liệu và xử lý sau in đều có thể ảnh hưởng chi tiết nhỏ.

Nếu vẫn muốn chế tạo chữ nhỏ như vậy?

Có các công nghệ phù hợp hơn với chế tạo vi mô và nano, chẳng hạn trùng hợp hai photon. Tài liệu thiết bị Nanoscribe được bản gốc dẫn lại nêu khả năng tạo chi tiết ở quy mô xuống đến 160 nm. Kết quả cụ thể vẫn phụ thuộc cấu hình, vật liệu và quy trình. Đây chủ yếu là thiết bị phục vụ vi quang học và nghiên cứu, không phải lựa chọn thông thường để làm quà lưu niệm, vỏ máy hay biển nhãn.

Ngay cả khi chế tạo được ký tự cao 20 μm bằng thiết bị chuyên dụng, ta vẫn cần kính hiển vi hoặc công cụ phóng đại để quan sát. Vì vậy có hai vấn đề khác nhau: thiết bị sản xuất thông dụng chưa chắc tạo được nó; và tạo được cũng không đồng nghĩa với đọc được bằng mắt thường.

Chữ nổi khó nhìn hơn ta tưởng

Ví dụ về thị tiêu phía trên gắn với các điều kiện tham chiếu, trong đó có độ tương phản cao. Chữ nổi trên chi tiết thường cùng màu với nền, chủ yếu hiện ra nhờ cạnh và bóng đổ. Độ tương phản vì vậy có thể thấp hơn nhiều so với chữ đen trên nền trắng.

Do đó, thiết kế cho sản xuất thực tế thường cần dự phòng kích thước. Hướng dẫn thiết kế SLS của Formlabs được bản gốc dẫn lại đề xuất chiều cao ký tự nổi ít nhất 4,5 mm và độ nhô khoảng 0,3 mm. Với FDM dùng đầu phun 0,4 mm, hướng dẫn in chữ của NameSTL đưa ra các mức tham khảo khoảng 5–6 mm cho chữ đậm và khoảng 8 mm cho chữ thường. Đây là tham khảo cho những điều kiện thiết kế cụ thể, không phải bảo đảm cho mọi phông chữ và tổ hợp dấu.

Vật liệu trong suốt còn khó hơn. Ánh sáng đi xuyên qua nhựa, các cạnh chữ có thể không tạo đủ bóng đổ. Vì vậy, hình học đã in thành công nhưng dòng chữ nhỏ vẫn có thể khó đọc.

Thiết kế có tính đến giới hạn vật lý

Để mô hình đẹp trở thành sản phẩm phù hợp, hãy bắt đầu từ các bước kiểm tra sau:

1. Làm việc theo kích thước thật. Xác nhận đơn vị và kích thước milimét, không đánh giá chỉ từ ảnh phóng lớn. Mức hiển thị “100%” trên màn hình cũng không nhất thiết bằng kích thước vật thể thật.
2. Đọc hướng dẫn của đúng thiết bị và vật liệu. Với FDM, quan tâm đầu phun và bề rộng đường in thực tế. Với quang hóa, phân biệt điểm ảnh, chi tiết nổi, rãnh và độ dày thành. Với SLS, tính đến hướng in và xử lý sau in. Không dùng một thông số nhỏ nhất cho mọi cấu trúc.
3. Kiểm tra khả năng đọc trong điều kiện sử dụng. Theo kinh nghiệm tác giả trong các dự án tại Nga, có thể bắt đầu thử chữ cái đơn giản trên chi tiết SLA ở chiều cao khoảng 1–1,5 mm, và trên FDM từ khoảng 5 mm. Đây không phải ngưỡng chung cho mọi chữ. Với tiếng Việt, hãy thử các ký tự có dấu, khoảng cách dấu với thân chữ và những nét dễ dính vào nhau.
4. Dành đủ chiều cao hoặc độ sâu cho chữ nổi, chữ lõm. Khoảng 0,3 mm có thể là điểm bắt đầu để làm mẫu trong một số trường hợp; giá trị cuối cùng phụ thuộc vật liệu, ánh sáng, hướng in và quy trình.
5. Kiểm tra mô hình AI: độ kín của lưới, tự giao cắt, chiều dày thành, tỷ lệ và kết quả xem trước sau cắt lớp.
6. In mẫu thử. Một tấm nhỏ có nhiều cỡ chữ, bề rộng nét và độ nổi khác nhau cho biết nhiều hơn ảnh dựng. Thời gian làm mẫu phụ thuộc thiết bị và công nghệ, không cố định ở 15 phút.

Nếu cần phục dựng chi tiết từ mẫu thực, nên đánh giá các đặc điểm nhỏ ngay từ giai đoạn quét 3D và kỹ thuật ngược. Một số thông tin nên chuyển sang khắc laser hoặc nhãn dán thay vì cố giữ trong hình học của chi tiết.

Kết luận

Các công cụ hiện đại mang lại nhiều khả năng: AI tạo sinh giúp tìm kiếm hình dáng nhanh hơn, còn in 3D rút ngắn quá trình tạo ra vật thể. Nhưng vẽ được không đồng nghĩa với chế tạo được; chế tạo được cũng không đồng nghĩa với nhìn rõ.

Mô hình phù hợp cho sản xuất bồi đắp phải kết hợp ý tưởng, công nghệ, vật liệu và điều kiện sử dụng. Bài viết giới thiệu cách ATRIMUT tiếp cận những vấn đề này trong hoạt động kỹ thuật tại Nga, để trao đổi chuyên môn với đồng nghiệp và đối tác Việt Nam. Có thể tìm hiểu thêm về in 3D, quét 3D và kỹ thuật ngược trên website.

Câu hỏi thường gặp

Kích thước chữ nhỏ nhất có thể in 3D là bao nhiêu?

Không có một giá trị chung cho mọi thiết bị và phông chữ. Chi tiết nổi 0,1 mm và chi tiết lõm 0,15 mm trong hướng dẫn Form 4 không phải chiều cao chữ bảo đảm đọc được. Các mức SLA khoảng 1–1,5 mm và FDM khoảng 5 mm trong kinh nghiệm tác giả là điểm bắt đầu để thử chữ cái đơn giản. Cần kiểm tra riêng nét chữ, dấu tiếng Việt và khoảng cách quan sát.

Mắt người phân biệt được chi tiết nhỏ đến mức nào?

Trong điều kiện tham chiếu thường dùng cho thị lực bình thường, 1 phút cung ở khoảng cách 25 cm tương ứng khoảng 0,073 mm. 5 phút cung tương ứng khoảng 0,36 mm và dùng để giải thích kích thước thị tiêu đơn giản, không phải ngưỡng đọc được mọi loại chữ.

Mô hình 3D do AI tạo ra có thể in ngay không?

Không thể kết luận chỉ từ hình thức. Trước khi in cần kiểm tra tỷ lệ, độ kín của lưới, tự giao cắt, chiều dày thành và kết quả cắt lớp. Khả năng tạo mô hình phù hợp cho sản xuất khác nhau giữa các công cụ.

Vì sao chữ nhỏ trên nhựa trong suốt khó nhìn?

Chữ nổi cùng màu với nền chủ yếu dựa vào cạnh và bóng đổ để tạo tương phản. Vật liệu trong suốt truyền ánh sáng nên trong một số điều kiện chiếu sáng, độ tương phản không đủ. In được hình học không đồng nghĩa với đọc rõ chữ.