Sản xuất in 3D

In 3D, in ba chiều đầy đủ, trong sản xuất, bất kỳ quy trình nào trong việc chế tạo các vật thể ba chiều bằng cách xếp các mặt cắt ngang hai chiều một cách tuần tự, chồng lên nhau. Quá trình này tương tự như việc nung mực hoặc mực lên giấy trong máy in (do đó là thuật ngữ in) nhưng thực chất là hóa rắn hoặc liên kết chất lỏng hoặc bột ở mỗi vị trí trong mặt cắt ngang, nơi mong muốn có vật liệu rắn. Trong trường hợp in 3D, việc xếp lớp được lặp lại hàng trăm hoặc hàng nghìn lần cho đến khi toàn bộ đối tượng được hoàn thành trong suốt chiều dọc của nó. Thông thường, in 3D được sử dụng để nhanh chóng tạo ra các nguyên mẫu nhựa hoặc kim loại trong quá trình thiết kế các bộ phận mới, mặc dù nó cũng có thể được sử dụng để tạo ra các sản phẩm cuối cùng để bán cho khách hàng. Các đối tượng được thực hiện trong in 3D bao gồm từ tượng nhỏ bằng nhựa và các mẫu khuôn cho đến các bộ phận máy bằng thép và cấy ghép titan. Toàn bộ thiết bị in 3D có thể được đặt trong tủ có kích thước gần bằng bếp lò hoặc tủ lạnh lớn.

in ấn: in ba chiều (thập niên 1960)

Vào những năm 1960, một bản in ba chiều đã được phát triển, về cơ bản là một hình minh họa mang hai góc nhìn, chồng lên nhau, của cùng một hình ảnh được chụp

Thuật ngữ in 3D ban đầu chỉ định một quy trình cụ thể được cấp bằng sáng chế là 3DP bởi các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vào năm 1993 và được cấp phép cho một số nhà sản xuất. Ngày nay thuật ngữ này được sử dụng như một nhãn chung cho một số quy trình liên quan. Trung tâm của tất cả chúng là thiết kế hỗ trợ máy tính, hoặc CAD. Sử dụng các chương trình CAD, các kỹ sư phát triển mô hình máy tính ba chiều của đối tượng sẽ được xây dựng. Mô hình này được dịch thành một chuỗi các lát cắt hai chiều của đối tượng và sau đó thành các hướng dẫn cho máy in biết chính xác nơi để cố định vật liệu bắt đầu trên mỗi lát cắt liên tiếp.

Trong hầu hết các quy trình, nguyên liệu ban đầu là bột nhựa hoặc kim loại mịn. Thông thường, bột được lưu trữ trong các hộp mực hoặc giường mà nó được phân phối với số lượng nhỏ và được trải bởi một con lăn hoặc lưỡi dao trong một lớp cực mỏng (thường chỉ có độ dày của các hạt bột, có thể nhỏ tới 20 micromet, hoặc 0,0008 inch) trên giường nơi bộ phận đang được xây dựng. Trong quy trình 3DP của MIT, lớp này được truyền qua một thiết bị tương tự như đầu của máy in phun mực. Một loạt các vòi phun phun một tác nhân liên kết theo mô hình được xác định bởi chương trình máy tính, sau đó một lớp bột mới được trải trên toàn bộ khu vực xây dựng và quá trình này được lặp lại. Ở mỗi lần lặp lại, giường xây dựng được hạ thấp chính xác bằng độ dày của lớp bột mới. Khi quá trình hoàn tất, phần tích hợp, được nhúng trong bột chưa hợp nhất, được kéo ra, làm sạch và đôi khi đưa vào một số bước hoàn thiện sau xử lý.

Quá trình 3DP ban đầu tạo ra các mô hình thô chủ yếu bằng nhựa, gốm và thậm chí là thạch cao, nhưng các biến thể sau này cũng sử dụng bột kim loại và tạo ra các bộ phận chính xác hơn và bền hơn. Một quá trình liên quan được gọi là thiêu kết laser chọn lọc (SLS); ở đây, đầu vòi và chất kết dính chất lỏng được thay thế bằng các tia laser được dẫn hướng chính xác làm nóng bột sao cho nó sint, hoặc một phần tan chảy và cầu chì, trong các khu vực mong muốn. Thông thường, SLS hoạt động với bột nhựa hoặc bột kết dính kim loại kết hợp; trong trường hợp thứ hai, vật thể tích tụ có thể phải được nung nóng trong lò để tiếp tục hóa rắn và sau đó gia công và đánh bóng. Các bước xử lý hậu kỳ này có thể được giảm thiểu trong quá trình thiêu kết laser kim loại trực tiếp (DMLS), trong đó laser công suất cao hợp nhất bột kim loại mịn thành một phần rắn chắc hơn và hoàn thiện hơn mà không cần sử dụng vật liệu kết dính. Một biến thể khác là sự nóng chảy chùm điện tử (EBM); ở đây, thiết bị laser được thay thế bằng súng điện tử, tập trung chùm tia điện tích mạnh vào bột trong điều kiện chân không. Các quy trình DMLS và EBM tiên tiến nhất có thể tạo ra các sản phẩm cuối cùng của hợp kim thép, titan và coban-crom tiên tiến.

Nhiều quy trình khác hoạt động dựa trên nguyên tắc xây dựng 3DP, SLS, DMLS và EBM. Một số sử dụng bố trí vòi phun để hướng vật liệu ban đầu (có thể là bột hoặc chất lỏng) đến các khu vực xây dựng được chỉ định, để đối tượng không bị ngâm trong giường của vật liệu. Mặt khác, trong một quá trình được gọi là stereolithography (SLA), một lớp chất lỏng polymer mỏng chứ không phải là bột được trải trên khu vực xây dựng, và các khu vực được chỉ định được củng cố bằng chùm tia cực tím. Phần nhựa tích hợp được lấy ra và đưa qua các bước xử lý sau.

Tất cả các quy trình in 3D được gọi là sản xuất phụ gia, hoặc chế tạo phụ gia, xử lý các quy trình xây dựng các đối tượng theo trình tự, trái ngược với việc đúc hoặc đúc chúng trong một bước duy nhất (quy trình hợp nhất) hoặc cắt và gia công chúng ra khỏi một khối rắn (một quá trình trừ). Như vậy, chúng được coi là có một số lợi thế so với chế tạo truyền thống, chủ yếu trong số chúng là sự thiếu vắng các dụng cụ đắt tiền được sử dụng trong các quy trình đúc và xay xát; khả năng sản xuất các bộ phận phức tạp, tùy chỉnh trong thông báo ngắn; và tạo ra chất thải ít hơn. Mặt khác, chúng cũng có một số nhược điểm; bao gồm tốc độ sản xuất thấp, độ chính xác và độ bóng bề mặt thấp hơn các bộ phận gia công, phạm vi vật liệu tương đối hạn chế có thể được xử lý và các hạn chế nghiêm trọng về kích thước của các bộ phận có thể được chế tạo rẻ tiền và không bị biến dạng. Vì lý do này, thị trường chính của in 3D là cái gọi là tạo mẫu nhanh, đó là sản xuất nhanh các bộ phận mà cuối cùng sẽ được sản xuất hàng loạt trong các quy trình sản xuất truyền thống. Tuy nhiên, máy in 3D thương mại tiếp tục cải tiến quy trình của họ và xâm nhập vào thị trường cho các sản phẩm cuối cùng, và các nhà nghiên cứu tiếp tục thử nghiệm in 3D, sản xuất các vật thể khác nhau như thân ô tô, khối bê tông và các sản phẩm thực phẩm ăn được.

Thuật ngữ in sinh học 3D được sử dụng để mô tả ứng dụng các khái niệm in 3D vào sản xuất các thực thể sinh học, chẳng hạn như các mô và cơ quan. In sinh học chủ yếu dựa trên các công nghệ in hiện có, chẳng hạn như in phun mực hoặc in laser, nhưng sử dụng công nghệ sinh học (đình chỉ tế bào sống và môi trường phát triển tế bào), có thể được chuẩn bị trong micropipettes hoặc các công cụ tương tự phục vụ như hộp mực máy in. In ấn sau đó được kiểm soát thông qua máy tính, với các tế bào được gửi trong các mẫu cụ thể lên các tấm nuôi cấy hoặc các bề mặt vô trùng tương tự. In dựa trên van, cho phép kiểm soát tốt sự lắng đọng tế bào và cải thiện khả năng tồn tại của tế bào, đã được sử dụng để in tế bào gốc phôi người trong các mẫu được lập trình sẵn tạo điều kiện cho sự kết hợp của tế bào thành các cấu trúc hình cầu. Các mô hình mô người như vậy được tạo ra thông qua in sinh học 3D được sử dụng đặc biệt trong lĩnh vực y học tái sinh.