Sự ra đời của máy in 3D

Ví dụ tốt nhất để mô tả cách thức hoạt động của máy in 3D đến từ loạt phim truyền hình Star Trek: The Next Generation. Trong vũ trụ tương lai hư cấu đó, phi hành đoàn trên một con tàu vũ trụ sử dụng một thiết bị nhỏ gọi là máy sao chép để tạo ra hầu như mọi thứ, từ thực phẩm, đồ uống cho đến đồ chơi. Trong khi máy sao chép sử dụng các hạt hạ nguyên tử để tạo thành bất kỳ vật thể nào xuất hiện trong ý nghĩ thì máy in 3D có cơ chế hoạt động đơn giản hơn nhiều. Đối với công nghệ in 3D, các lớp vật liệu được xếp chồng liên tiếp lên nhau và định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể ba chiều như mong muốn.

Về mặt lịch sử, sự phát triển của công nghệ in 3D bắt đầu từ đầu những năm 1980, thậm chí còn xảy ra trước cả chương trình truyền hình đã nói ở trên. Năm 1981, Hideo Kodama tại Viện Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) công bố bài báo đầu tiên mô tả cách thức vật liệu photopolyme (polymer cảm quang) cứng lại khi tiếp xúc với tia cực tím (UV). Quá trình này có thể dùng để tạo hình các vật thể rắn một cách nhanh chóng. Mặc dù bài báo của Kodama đặt nền móng cho công nghệ in 3D sau này, nhưng ông không phải là người đầu tiên chế tạo máy in 3D.

Dựa trên kết quả nghiên cứu của Kodama, kỹ sư người Mỹ Chuck Hull đã thiết kế và tạo ra máy in 3D đầu tiên trên thế giới vào năm 1984 khi đang tìm cách sử dụng đèn UV để tạo ra lớp phủ ngoài bền chắc, hợp thời trang cho những chiếc bàn. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D này dựa trên kỹ thuật gọi là Stereolithography (SLA). Hull dùng tia UV làm đông cứng lớp photopolymer lỏng chứa trong bồn, từng lớp từng lớp để tạo nên vật thể 3D .

Có thể hình dung chi tiết kỹ thuật Stereolithography như sau: đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia UV di chuyển ở mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo mặt cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu này cứng lại. Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu đã cứng được hạ xuống để tạo một lớp mới, các lớp tiếp theo tiếp tục được tạo ra cho đến khi sản phẩm hoàn tất.

Năm 1986, Charles Hull được cấp bằng sáng chế kỹ thuật in 3D Stereolithography. Sau đó, ông thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiên với tên gọi Stereolithography Apparatus. Hiện nay, 3D System là một trong những công ty lớn nhất trong lĩnh vực in 3D.

Đóng góp quan trọng khác của Hull là việc thiết kế các định dạng tập tin STL được sử dụng rộng rãi trong các phần mềm in 3D. Do vật thể in 3D tạo ra từ những hình ảnh trên máy tính, nên người dùng có thể dễ dàng kiểm tra các mẫu thiết kế một cách nhanh chóng, chính xác trước khi quyết định đầu tư sản xuất hàng loạt.

Trong khi bằng sáng chế của Hull bao trùm nhiều khía cạnh khác nhau của công nghệ in 3D bao gồm thiết kế, phần mềm điều hành và nhiều loại vật liệu dùng làm “mực in”, các nhà khoa học sau này đã tìm ra những cách tiếp cận khác.

Năm 1989, Carl Deckard, một sinh viên tốt nghiệp Đại học Texas (Mỹ), đã được cấp bằng sáng chế cho một phương pháp in 3D mới gọi là thiêu kết laser chọn lọc (selective laser sintering – SLS). Đây là công nghệ in 3D sử dụng con lăn để dát mỏng nguyên liệu dạng bột thành từng lớp, sau đó xếp chồng và dính chặt các lớp lại với nhau bằng cách chiếu tia laser vào. Các biến thể khác của công nghệ SLS là thiêu kết laser kim loại trực tiếp (direct metal laser sintering - DMLS) và nấu chảy bằng laser có chọn lọc (selective laser melting - SLM) thường được sử dụng để chế tạo các vật bằng kim loại.

Hình thức in 3D phổ biến nhất hiện nay gọi là Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng (FDM) được phát triển bởi nhà phát minh S. Scott Crump. Công nghệ FDM sử dụng nguyên liệu đầu vào là sợi nhựa nung nóng chảy. Khi được giải phóng qua vòi phun, nhựa nóng chảy sẽ cứng lại ngay lập tức thành từng lớp trên một bệ đỡ. Các lớp sẽ xếp chồng lên nhau để tạo ra vật thể 3D. Ý tưởng này đến với Crump vào năm 1988 khi ông đang cố gắng làm một con ếch đồ chơi cho con gái bằng cách phun sáp nến thông qua một khẩu súng bắn keo.

Năm 1989, Crump được cấp bằng sáng chế cho công nghệ in 3D FDM. Ông cùng vợ thành lập công ty Stratasys chuyên sản xuất máy in 3D để bán ra thị trường. Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên “3D Modeler” năm 1992.

Trong những năm 2000, ngoài polyme và kim loại, nhiều loại vật liệu khác đã được sử dụng để in 3D như sáp, giấy, vật liệu tương hợp sinh học (biocompatible material), tế bào…Kể từ đó, nhiều phương pháp in 3D khác nhau đã được sáng chế.

Năm 2005, Z Corporation giới thiệu dòng máy in 3D Spectrum Z510 có khả năng tạo ra những sản phẩm nhiều màu sắc chất lượng cao. Năm 2006, tiến sĩ Adrian Bowyer tại Đại học Bath (Anh) khởi động dự án máy in 3D mã nguồn mở với tên gọi 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 mã nguồn 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 phận của chính mình.

Năm 2008, công ty Objet Geometries đã tạo ra cuộc cách mạng trong công nghệ tạo mẫu nhanh khi giới thiệu Connex500™. Đây là chiếc máy đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra sản phẩm in 3D với nhiều loại vật liệu khác nhau trong cùng một thời điểm.

Năm 2010, Urbee - chiếc xe hơi nguyên mẫu in 3D đầu tiên được giới thiệu. Đây là chiếc xe đầu tiên trên thế giới mà toàn bộ phần vỏ, kính chắn gió được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn của công ty Stratasys. Năm 2010, công ty Organovo chế tạo thành công mạch máu nhân tạo bằng công nghệ in 3D.

Hiên nay, các ứng dụng của công nghệ in 3D ngày càng trở nên phổ biến. Nó thâm nhập sâu từ các lĩnh vực công nghiệp như hàng không, vũ trụ, quốc phòng, điện tử,…cho đến các ngành cơ bản như y tế, giáo dục, xây dựng và thậm chí cả ẩm thực, nghệ thuật, thời trang.