Nghiên cứu và chế tạo thành công máy in 3D khổ lớn tích hợp máy quét vật thể

Một tổ chức khoa học công nghệ tại TP.HCM vừa nghiên cứu, chế tạo thành công hệ thống máy in 3D khổ lớn tích hợp máy quét (scanner) vật thể gốc 

Thực tế cho thấy, công nghệ in 3D là một thành tựu quan trọng của ngành in ấn và cơ khí chính xác trong bối cảnh hàng loạt tiến bộ khoa học công nghệ đã và đang được ứng dụng trực tiếp vào mọi mặt của đời sống, qua đó cho phép người dùng cho dù ở quy mô gia đình hay tổ chức, doanh nghiệp vẫn có thể nhanh chóng, dễ dàng tạo ra các sản phẩm theo nguyên lý bồi đắp lớp vật liệu thay vì phải cắt gọt phôi trong quy trình tạo sản phẩm truyền thống. Hay nói cách khác, công nghệ in 3D giúp cải tiến kỹ thuật, rút ngắn thời gian tạo mẫu và quy trình sản xuất, từ đó kéo giảm giá thành và tăng tối đa lợi ích cho doanh nghiệp.

Thị trường máy in 3D hiện nay ghi nhận sự đa dạng về chủng loại thiết bị. Cùng với đó, một số dòng máy in 3D chế tạo và sản xuất trong nước đã được tích hợp khả năng phối màu, in sản phẩm với độ chính xác cao, thậm chí tiệm cận các tiêu chuẩn quốc tế.

Sản phẩm hoàn thiện máy in 3D hỗ trợ gia công sản phẩm có kích thước tối đa 1.200x600x1.200mm

Đáng chú ý, thời gian gần đây, một số mẫu máy in 3D khổ lớn cũng đang được nhiều doanh nghiệp sản xuất quan tâm, bởi khả năng hỗ trợ đắc lực cho thiết kế kiến trúc, xây dựng mẫu, ứng dụng cơ khí… giúp doanh nghiệp kiểm tra, thử nghiệm và điều chỉnh thực tế trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt.

Nhận thấy tiềm năng trên, ThS. Phạm Quốc Phương và nhóm cộng sự công tác tại Viện Nghiên cứu Điện tử - Tin học - Tự động hóa (Phân viện TP.HCM) đã nghiên cứu, chế tạo thành công máy in 3D khổ lớn tích hợp bộ máy quét (scanner) 3D. Cụ thể, đó là máy in 3D có khả năng gia công sản phẩm với quy cách kích thước lên đến 1.200x610x1.200mm, kết hợp với máy quét 3D có khả năng quét vật thể gốc ở mức kích thước tối đa 600x600x600mm.

ThS. Phạm Quốc Phương, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết, đa số máy in 3D nội địa hiện nay chỉ phù hợp cho nhu cầu tạo ra các sản phẩm kích thước nhỏ (quy cách tối đa 500x500mm hay 600x600mm) như đồ chơi, đồ dùng văn phòng, học tập, trang trí; trong khi đó, để phục vụ sản xuất công nghiệp, thực tế đòi hỏi các thiết bị in 3D phải tạo ra sản phẩm kích thước lớn (lên đến 1.000x1.000mm hoặc lớn hơn). Hơn nữa, việc thiết kế máy tạo sản phẩm kích thước lớn gặp khó khăn về sự đồng đều sản phẩm, mức chính xác cao có một thể tích lớn, và cả khâu cấp nguyên liệu (in) liên tục.

Một sản phẩm 3D được gia công in 3D từ nguyên mẫu làm bằng gỗ.

Chính vì thế, nhóm nghiên cứu đã tạo ra máy in 3D khổ lớn theo công nghệ FDM. Bên cạnh các giải thuật được lập trình cho bộ điều khiển máy in và máy quét, cũng như phần mềm quản lý quét vật thể/ảnh đa diện và vận hành máy in 3D, thì nhóm nghiên cứu cũng đã chủ động phát triển hàng loạt cải tiến mới để tạo ra giải pháp ổn định hơn so với các giải pháp máy in hiện có trên thị trường. Cụ thể, hệ thống khung sườn của máy có mức nội địa hóa cao, đảm bảo độ cứng tốt, vững chắc, hạn chế tối đa rung lắc khi vận hành quá trình in vật liệu.

Đối với hệ thống điều khiển, nhóm nghiên cứu sử dụng động cơ dạng hybrid (tức động cơ lai giữa động cơ bước và động cơ servo), cung cấp độ chính xác cao và có độ sai số thấp hơn. Phần đầu đùn vật liệu được gia nhiệt bằng nhiệt trở, có gắn cảm biến đo nhiệt độ và đưa về bộ điều khiển để so sánh với giá trị đặt, cho phép điều khiển dòng đốt ổn định. Tùy thuộc sợi nhựa sử dụng, người điều khiển có thể lựa chọn nhiệt độ cho đầu đùn thích hợp.

Cấu hình máy in 3D khổ lớn 3 trục tịnh tiến.

Theo ThS. Phương, quá trình thiết kế sản phẩm truyền thống thường dựa theo mẫu có sẵn, sau đó vẽ vật thể bằng cách đo đạc và dựng hình rất tỉ mỉ, tốn nhiều thời gian, công sức. Trong khi đó, "phương pháp thiết kế ngược" để tạo hình sản phẩm bằng cách dùng máy quét 3D quét toàn bộ sản phẩm để lấy các dữ liệu không gian ba chiều, sau đó sử dụng máy tính để dựng hình sản phẩm.

"Việc tạo hình sản phẩm bằng máy quét 3D kết nối trực tiếp với máy in 3D sẽ nâng cao mức tự động hóa chế tạo sản phẩm", ThS. Phạm Quốc Phương nhận định.

Máy quét 3D tích hợp trong giải pháp được nhóm nghiên cứu thiết kế dựa trên công nghệ laser tam giác lượng và công nghệ ánh sáng có cấu trúc, chiếu lên vật thể và thu ảnh bằng camera kép, giúp tăng độ chính xác, tăng kích thước vùng quét để thu thập dữ liệu không gian ba chiều của những vật mẫu kích thước lớn, nhằm cung cấp dữ liệu đầy đủ cho hệ thống in 3D.

Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của máy quét 3D laser tam giác lượng chính là thuộc tính của bề mặt cần quét ảnh hưởng đến quá trình quét, ví dụ như các bề mặt rất sáng bóng, trong suốt vì thế có thể khiến việc quét gặp khó khăn hoặc không thể thực hiện được.

 Nguyên mẫu máy quét 3D được chế tạo.

Chính vì thế, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu và khắc phục các vấn đề này, đồng thời ứng dụng thêm các giải pháp phần mềm làm mịn bề mặt sản phẩm quét 3D, cho phép có thể sử dụng ngay các tập tin quét cho máy in 3D mà không cần điều chỉnh hay áp dụng các phương pháp chuyển đổi tập tin quét sang định dạng in 3D. Việc tạo sản phẩm máy quét 3D kết nối trực tiếp với máy in 3D khổ lớn tạo ra một hệ thống liên tục từ quét ảnh, xử lý tập tin dữ liệu ảnh cho máy in 3D, cho đến quá trình in ấn ra sản phẩm một cách tự động.

Đáng chú ý, thông qua ứng dụng quét ảnh và các thuật toán nội suy đi kèm với giải pháp được hoàn thiện, đại diện nhóm nghiên cứu cho biết dù kích thước vật thể gốc ở mức 600x600mm thì vẫn có thể được phóng to lên theo tỷ lệ tương ứng để sau đó gia công in ở các mức kích thước lớn hơn.

Đại diện nhóm nghiên cứu cho biết, hệ thống máy in 3D khổ lớn tích hợp scanner 3D có thể chuyển giao và khai thác thực tế, qua đó đem lại hiệu quả kinh tế trên cơ sở thiết bị có mức nội địa hóa cao, góp phần tự động hóa sản xuất tại các doanh nghiệp sản xuất, nâng cao năng suất lao động, độ đồng nhất của sản phẩm, hạ giá thành sản phẩm, đem lại hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp.

Nhận định về hiệu quả kinh tế, ThS. Phạm Quốc Phương cho biết, nếu đưa vào sản xuất hàng loạt thì giá thành (sản xuất) của giải pháp máy in 3D cũng như máy quét 3D vốn là sản phẩm của đề tài nghiên cứu vừa được Sở KH&CN TPHCM nghiêm thu sẽ vào khoảng 300 triệu đồng/máy, và con số này hoàn toàn thấp hơn nhiều so với sản phẩm nhập ngoại với tính năng và tiêu chuẩn kỹ thuật tương đương. Đặc biệt, với giải pháp máy quét 3D với độ phân giải và độ chính xác cao, hiện tại Việt Nam có rất ít đơn vị nhập về sản phẩm có tính năng tương tự vì giá thành có thể lên đến hàng tỷ đồng, chủ yếu chỉ vài tập đoàn công nghệ và công nghiệp lớn chủ động nhập về để phục vụ khâu thiết kế mẫu sản phẩm.

ThS. Phạm Quốc Phương khẳng định, trình độ của kỹ sư Việt Nam hiện nay hoàn toàn có thể phát triển các giải pháp máy in và máy quét 3D khổ lớn, và toàn bộ tài liệu kỹ thuật, quy trình chế tạo, sản xuất hai giải pháp mà Viện Nghiên cứu Điện tử - Tin học - Tự động hóa (Phân viện TP.HCM) vừa hoàn thành được chuẩn hóa, tổng hợp một cách khoa học để sẵn sàng chuyển giao cho các đơn vị có nhu cầu, cũng như mở rộng hợp tác để thương mại hóa hai sáng chế khoa học bằng cách đưa vào sản xuất hàng loạt.