Máy in 3D là gì? Cấu tạo máy in 3D và nguyên lý hoạt động

Máy in 3D là một loại máy tạo nên hình dáng 3 chiều của sản phẩm qua việc đắp chồng các vật liệu lên nhau. Vậy cấu tạo máy in 3D gồm những gì? Cùng chúng tôi đi tìm hiểu chi tiết về máy in 3D nhé!

Máy in 3D là gì?

Máy in 3D là loại máy sử dụng thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính, hoặc CAD để tạo ra các vật thể 3D từ nhiều loại vật liệu khác nhau như nhựa hoặc bột nóng chảy. Máy in 3D hoạt động tương tự như máy in phun 2D truyền thống, nó sử dụng phương pháp phân lớp để tạo ra đối tượng mong muốn. Chúng hoạt động từ mặt đất lên và chồng chất hết lớp này sang lớp khác cho đến khi vật thể giống với các vật mẫu cần tạo.

Cấu tạo máy in 3D

Máy in 3D gồm 3 thành phần chính là:

Đầu in và hệ thống ép đùn: Hệ thống chịu trách nhiệm gia nhiệt và đùn vật liệu in 3D bằng nhựa nhiệt dẻo thông qua vòi phun để tạo thành chi tiết. Các yếu tố như kích thước vòi phun, tốc độ đùn nhựa sẽ tác động đến độ chính xác của máy in cũng như tốc độ in của máy.
Bàn in và hệ thống chuyển động trục Z: Bàn in là nơi chứa những sản phẩm được in, đầu in sẽ ép đùn vật liệu lên bàn in. Trong quá trình in, hệ thống chuyển động trục Z sẽ di chuyển bàn in theo từng bước bằng nhau để tạo ra các lớp cấu thành chi tiết in. Độ chính xác của các động cơ điều khiển hệ thống trục Z sẽ kiểm soát độ phân giải và chất lượng của chi tiết theo trục Z.
Hệ thống chuyển động XY: Giàn in sẽ trực tiếp điều khiển chuyển động X và Y của đầu in. Nó có trách nhiệm là vẽ từng lớp in 2D theo đúng như thiết kế của chi tiết. Độ chắc chắn của giàn in, chất lượng của động cơ, cảm biến điều khiển cùng với bàn in sẽ quyết định đến độ chính xác của một chi tiết in 3D.

Nguyên lý hoạt động của máy in 3D

Để máy in 3D hoạt động thì cần có hệ thống phần mềm điều khiển. Phần mềm điều khiển sẽ xử lý thiết kế CAD (tệp STL), chia nó thành các lớp, sau đó sẽ tính toán và tạo đường chạy cho đầu in của mỗi lớp in. Máy in 3D sẽ ép đùn nhựa theo đường chạy đã định sẵn. Tại điểm khởi đầu, bàn in sẽ được đặt ở độ cao nhất định và hệ thống chuyển động trục XY sẽ di chuyển đầu in theo như bản thiết kế. Hết một lớp in, hệ thống chuyển động trục Z sẽ di chuyển bàn in để máy in có thể tiếp tục thực hiện in lớp in tiếp theo, đè lên trên lớp in ban đầu.

Ngoài vật liệu nhựa chính, máy in 3D có sử dụng vật liệu hỗ trợ. Vật liệu hỗ trợ này sẽ được sử dụng khi cần in các lỗ rỗng, phần nhô ra ngoài. Nó đóng vai trò là một dàn đỡ, được tạo tự động với một số dạng khác nhau.

Bản chất từng lớp của quy trình in 3D sẽ làm cho chi tiết in 3D có xu hướng đẳng hướng ngang, trong khi các vật liệu đẳng hướng đều có tính đồng nhất với mọi hướng. Vật liệu đẳng hướng ngang sẽ có 2 cơ tính khác nhau: một là theo một trục, hai là tính cơ học khác theo trục vuông góc với nó. Điều này đồng nghĩa là các chi tiết in 3D sẽ có độ cứng trục XY tốt hơn trục Z. Đây là lý do tại sao việc xem xét hướng in trong quá trình thiết kế lại quan trọng đến vậy.

Cấu trúc lõi bên trong của chi tiết in 3D

Trong khi lớp vỏ của một chi tiết được xác định hình dạng và độ chính xác thì cấu trúc lõi bên trong được dùng trong việc xác định hiệu suất in của chi tiết. Cấu trúc lõi bên trong được tối ưu hóa cho độ bền và chất lượng in và thường được tạo thành hình lưới tổ ong. Thường là các hình lưới tam giác đan xen lẫn nhau vì tính chất phân phối tải hoàn hảo của chúng, nhưng các hình dạng khác nhau cũng có thể được sử dụng.

Việc thay đổi hình dạng và mật độ cấu trúc lõi bên trong sẽ thay đổi khối lượng và độ cứng của chi tiết. Người dùng sẽ phải tính toán về khối lượng và hiệu suất của chi tiết để sử dụng cấu trúc lõi bên trong cho phù hợp trước khi tiến hành in 3D.

Sợi gia cố liên tục sẽ thay thế cho sợi nhựa thông thường để cải thiện tính chất cơ học. Tại một số lớp in bên trong, có thể thay thế sợi nhựa bằng sợi gia cố liên tục được định tuyến tự động. Độ bền của các sợi này sẽ tùy thuộc vào hướng in, số lượng sợi liên tục được thêm vào, vị trí sợi liên tục và loại sợi được chọn.

Máy in 3D còn hỗ trợ việc đan xen, in cả vật liệu nhựa và vật liệu liên tục trong một chi tiết. Việc gia cố thêm sợi nhựa bằng bất kỳ sợi liên tục nào sẽ tăng cường độ cứng, độ bền và mỗi sợi sẽ được tối ưu hóa cho các ứng dụng chịu tải cụ thể.

Ứng dụng của máy in 3D

Khả năng của máy in 3D là vô tận và chúng hiện đang trở thành một công cụ phổ biến trong các lĩnh vực như kỹ thuật, thiết kế công nghiệp, sản xuất và kiến trúc. Dưới đây là một số ví dụ sử dụng điển hình:

Các mô hình được cá nhân hóa (Tùy chỉnh)

Tạo ra các sản phẩm được cá nhân hóa hoàn toàn phù hợp với nhu cầu của bạn về kích thước và hình dạng.

Tạo mẫu nhanh

In 3D cho phép bạn nhanh chóng tạo ra một mô hình hoặc nguyên mẫu, giúp các kỹ sư, nhà thiết kế và các công ty nhận được phản hồi về dự án của họ trong thời gian ngắn.