Trong suy nghĩ của nhiều người, in 3D là công nghệ "tương lai" vừa xuất hiện cùng điện thoại thông minh và xe điện. Thực tế, nó đã gần 40 năm tuổi, và ý tưởng cốt lõi của nó đơn giản đến bất ngờ: thay vì cắt gọt một khối vật liệu lớn cho đến khi thành hình, chiếc máy "đắp" vật thể từ con số không, từng lớp mỏng chồng lên nhau cho đến khi sản phẩm hoàn chỉnh. Đầu vào của cả quá trình chỉ là một file số trên máy tính.

Những chiếc máy đầu tiên ở thập niên 1980

Người đặt nền móng là Chuck Hull, một kỹ sư người Mỹ làm việc với nhựa lỏng có thể cứng lại dưới tia cực tím. Năm 1984, ông nộp bằng sáng chế cho kỹ thuật gọi là "in nổi lập thể" (stereolithography): một tia sáng chiếu vào bể nhựa lỏng, làm đông đúng một lớp mỏng theo hình cắt của vật thể, rồi bàn in hạ xuống để lớp tiếp theo chồng lên. Năm 1986 bằng sáng chế được cấp, Hull đồng sáng lập công ty 3D Systems, và năm 1987 chiếc máy thương mại đầu tiên SLA-1 được giới thiệu, bắt đầu bán ra từ năm 1988.

Hull không đơn độc. Cũng trong thập niên 1980, Carl Deckard ở Đại học Texas phát triển kỹ thuật dùng laser nung chảy bột thành khối, còn Scott Crump nảy ra ý tưởng đùn sợi nhựa nóng chảy qua một đầu phun chuyển động. Crump được cấp bằng sáng chế năm 1992 và lập hãng Stratasys.

Dù vậy, suốt hơn 20 năm, in 3D vẫn là thứ xa xỉ: máy có giá hàng chục đến hàng trăm nghìn đô la, chỉ nhà máy lớn và phòng nghiên cứu mới sử dụng, chủ yếu để làm mẫu thử nhanh. Mọi thứ thay đổi khi dự án mã nguồn mở RepRap ra đời năm 2005 dưới tay tiến sĩ Adrian Bowyer ở Anh — một chiếc máy in được thiết kế để tự in ra phần lớn linh kiện nhựa của chính nó — và khi các bằng sáng chế chủ chốt hết hạn vào khoảng năm 2009, mở đường cho làn sóng máy in để bàn giá rẻ.

In 3D hoạt động như thế nào

Mọi quy trình in 3D đều bắt đầu từ một mô hình số ba chiều. Phần mềm chuyên dụng "thái" mô hình thành hàng trăm, hàng nghìn lát cắt ngang mỏng như tờ giấy — thường từ 0,05 đến 0,3 mm mỗi lớp — rồi biến chúng thành lộ trình di chuyển cho đầu in. Chiếc máy sau đó dựng vật thể đúng theo từng lát cắt, lớp dưới nâng đỡ lớp trên.

Ba họ công nghệ phổ biến nhất khác nhau ở vật liệu và cách kết dính. Máy đùn sợi nung chảy sợi nhựa rồi "vẽ" từng lớp — đây là loại máy để bàn quen thuộc nhất. Máy in nhựa lỏng dùng ánh sáng làm đông nhựa, cho bề mặt mịn và chi tiết tinh xảo, được giới nha khoa và kim hoàn ưa chuộng. Máy nung bột bằng laser tạo ra chi tiết cứng chắc, dùng trong hàng không và y tế, kể cả in kim loại. Điểm chung của cả ba là sản xuất theo kiểu "cộng thêm": chỉ dùng đúng lượng vật liệu cần thiết, gần như không có phoi thừa như gia công cắt gọt.

Từ nhà máy, bệnh viện đến trạm vũ trụ

Giá trị đầu tiên của in 3D là tốc độ làm mẫu: một linh kiện trước đây phải chờ vài tuần để gia công, nay có thể cầm trên tay sau vài giờ — sai thì sửa file và in lại ngay trong ngày. Nhưng công nghệ này nhanh chóng vượt khỏi vai trò "máy làm mẫu". Trong y tế, gần như toàn bộ vỏ máy trợ thính trên thế giới hiện được in theo đúng khuôn ống tai của từng người; khay niềng răng trong suốt được in hàng loạt theo từng hàm răng; chân tay giả in 3D giúp trẻ em có chi giả vừa vặn với giá chỉ bằng một phần nhỏ chi giả truyền thống. Trong hàng không, hãng GE đã in vòi phun nhiên liệu thành một khối duy nhất thay vì hàn ghép 20 chi tiết như trước — vừa nhẹ hơn, vừa bền hơn.

Hai cột mốc cho thấy công nghệ này đã đi xa đến đâu. Năm 2014, một máy in 3D nhỏ trên Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS in ra một chiếc cờ lê — chiếc công cụ đầu tiên được thiết kế dưới mặt đất rồi truyền file lên trạm để chế tạo ngay khi cần, thay vì phải chờ tàu tiếp tế. Trên mặt đất, nhiều công ty đã in được tường nhà, thậm chí cả căn nhà nhỏ, trong vài ngày bằng đầu phun bê tông khổng lồ. Tuy vậy, in 3D không phải phép màu toàn năng: khi cần sản xuất hàng triệu sản phẩm giống hệt nhau, đúc khuôn truyền thống vẫn nhanh và rẻ hơn rất nhiều.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Một trong những vật đầu tiên Chuck Hull in thử vào thập niên 1980 là chiếc cốc nhựa nhỏ đựng dung dịch rửa mắt.
  • Chiếc cờ lê in trên trạm ISS năm 2014 là chiếc công cụ đầu tiên được "gửi qua mạng" lên vũ trụ: file thiết kế được tạo trên Trái Đất, truyền lên trạm rồi in ngay trên quỹ đạo theo yêu cầu.
  • Năm 2019, Đại học Maine (Mỹ) in một chiếc thuyền nguyên khối dài 7,6 mét — vật in nguyên khối lớn nhất thế giới tại thời điểm đó.
  • Dự án RepRap đặt mục tiêu kỳ lạ bậc nhất trong lịch sử chế tạo: một chiếc máy in có thể tự in ra khoảng một nửa số linh kiện của chính nó — "sinh sản" gần như theo đúng nghĩa đen.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "In 3D là công nghệ mới của thế kỷ 21." Không phải. Máy in 3D thương mại đầu tiên xuất hiện từ năm 1987, và các bằng sáng chế nền tảng đều thuộc về thập niên 1980. Nó chỉ "có vẻ mới" vì phải đợi đến sau năm 2009 — khi bằng sáng chế hết hạn và dự án mã nguồn mở phát triển — giá máy mới giảm xuống mức người dùng phổ thông chạm tới được.

Hiểu lầm: "In 3D sẽ sớm thay thế toàn bộ nhà máy." Với những sản phẩm cần sản xuất hàng triệu chiếc giống hệt nhau, đúc khuôn vẫn thắng áp đảo về tốc độ và chi phí. Sân chơi thật sự của in 3D là đồ cá nhân hóa theo từng người, sản phẩm số lượng ít, hình dạng phức tạp và làm mẫu thử. Nó là mảnh ghép bổ sung cho sản xuất truyền thống, không phải kẻ thay thế toàn diện.

Nguồn tham khảo