7 kiến thức cần biết về công nghệ in 3D FDM

1/ Giới thiệu về công nghệ in 3D?

Mô hình lắng đọng Fuse (còn được gọi là FDM), là công nghệ in 3D được sử dụng phổ biến nhất cho các nhà sản xuất và người tiêu dùng hàng ngày. Trong bài viết này, Việt Machine sẽ giải thích: Lịch sử ra đời của công nghệ in 3D FDM, cách thiết lập máy in 3D sử dụng công nghệ FDM, quy trình in FDM, các sợi nhựa và máy in 3D thường được sử dụng.

Ngoài ra, hướng dẫn này cũng giải thích lý do tại sao các máy in khác nhau có giá khác nhau, các chỉ số chính về hiệu suất của máy in 3D FDM , FDM so với SLA và Laser thiêu kết ; Các ứng dụng, ưu điểm và nhược điểm của công nghệ in 3D FDM.

1.1/ Mở rộng về công nghệ FFF (Fused filament fabrication)

Mô hình lắng đọng hợp nhất đôi khi được gọi là chế tạo sợi nhựa hợp nhất hoặc FFF (Fused filament fabrication). Các quy trình in 3D này giống nhau, nhưng chúng tôi sẽ sử dụng FDM (Fused deposition modeling) trong bài viết này. Nếu bạn thấy máy in 3D FFF được viết ở bất cứ đâu, thì đó là máy in 3D FDM. FFF là tên được đặt cho quy trình sản xuất, mặc dù Mô hình lắng đọng Fuse là tên được thương hiệu bởi Stratasys khi họ phát minh ra quy trình. Tên FDM đã phải được sinh ra để thay thế. Stratasys đã phát minh ra FDM gần 30 năm trước, và bây giờ tạo ra các máy in công nghiệp tiên tiến và sáng tạo hơn nhiều.

♦ Tóm lại: FDM (Fused deposition modeling) và FFF (Fused filament fabrication) là như nhau

1.1/ Công nghệ in 3D FDM là gì?

Mô hình lắng đọng hợp nhất còn được sử dụng với thuật ngữ là đùn vật liệu. Giống như công nghệ Laser thiêu kết  FDM sử dụng nhựa nhiệt dẻo để in các bộ phận. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa hai loại này là FDM sử dụng các sợi, trong khi SLS sử dụng bột. Stereolithography khác với cả hai vì nó sử dụng nhiệt, được gọi là nhựa.

1.2/ Lịch sử của FDM

FDM đã xuất hiện từ khi bắt đầu lịch sử in 3D. Mô hình lắng đọng hợp nhất được phát triển bởi S.Scott Crump vào cuối những năm 1980 trước khi ông thành lập Stratasys. Với Stratasys, Crump đã thương mại hóa FDM vào năm 1990 và công ty máy in 3D thành công tiếp tục sản xuất máy in 3D FDM cho đến ngày nay.

Một năm lớn nữa đối với in 3D sử dụng mô hình lắng đọng hợp nhất là năm 2005, năm máy in 3D RepRap bắt đầu cất cánh. Phong trào RepRap dựa trên cộng đồng nguồn mở và liên quan đến việc in 3D các bộ phận của máy in 3D của riêng bạn và tự lắp ráp chúng. Năm 2009 đánh dấu năm mà các bằng sáng chế mô hình lắng đọng hợp nhất đầu tiên hết hạn, cho phép những người đam mê phát triển máy in 3D DIY của riêng họ và thương mại hóa chúng. Các công ty như Makerbot và Lulzbot đã thành công rực rỡ khi chế tạo bộ dụng cụ máy in DIY, với Makerbot trở thành người khổng lồ trị giá 400 triệu đô la như ngày nay.

2/ Nguyên lý in 3D FDM là gì?

Mô hình lắng đọng hợp nhất liên quan đến việc đưa dây tóc nhựa nhiệt dẻo vào máy in 3D, với bất kỳ hỗ trợ hoặc vật liệu nào khác nếu đó là máy in 3D đùn kép . Dây tóc được làm nóng đến điểm nóng chảy của nó – khoảng 200 độ C, mặc dù điều này phụ thuộc vào vật liệu – thông qua một vòi được làm nóng và sau đó đùn vào nền tảng xây dựng, theo dõi kích thước bộ phận được chỉ định bởi tệp STL.

Khi lớp đầy đủ đầu tiên kết thúc, đầu in di chuyển lên một chiều cao trước khi truy tìm lớp tiếp theo. Điều này tiếp tục, từng lớp, cho đến khi phần hoàn thành. Sau khi lắng đọng, sợi nhựa rắn lại để tạo thành một sản phẩm cứng, với mỗi lớp làm mát trước khi được làm nóng lại một lần nữa khi lớp trên cùng của nó được lắng đọng. Kích thước lớp tùy thuộc vào sở thích của bạn, nhưng thường là khoảng 0.2mm.

Mở rộng về in 3D FDM nhiều màu: Một số máy in 3D có khả năng in màu 3D. Một máy in 3D FDM thực hiện điều này là Da Vinci Color của XYZPrinting, có thể in 10 triệu màu khác nhau! Nếu bạn có một máy in 3D đùn kép thì bạn cũng có thể in hai màu hoặc hai vật liệu cùng một lúc.

3/ Thiết lập máy in 3D FDM

Để in bất cứ thứ gì trên máy in 3D FDM của bạn, trước tiên bạn sẽ cần một tệp 3D. Thường là tệp .STL – kiểu máy in 3D – bạn có thể tải xuống các tệp này từ các trang như Thingiverse hoặc Shapeways hoặc thiết kế chúng trên các phần mềm thiết kế 3D như SolidWorks hoặc SelfCAD. Khi bạn có tệp .STL, bạn cần sử dụng công cụ cắt 3D như Cura để cắt tệp thành các lớp. Đây là các lớp riêng lẻ mà máy in 3D sẽ in, từng lớp một, cho đến khi mô hình ba chiều kết thúc. Sau khi cắt lát, bạn chỉ cần chọn tham số in của mình và nhấn in.

Các phần mềm in 3D sẽ làm nhiệm vụ chuyển đổi mô hình 3D thành các mã lệnh G-Code, toàn bộ mã lệnh này bao gồm các thông số: Đường chạy của đầu in, tốc độ, kiểu in 3D, nhiệt độ, mật độ lớp layer, cấu trúc support (nếu có),…. Xem thêm bài viết giới thiệu về các phần mềm in 3D để hiểu rõ hơn.

Có bốn loại máy in 3D FDM chính: Cartesian, Delta, Polar và Scara và tất cả chúng đều hoạt động khác nhau, kết cấu cơ khí máy cũng khác nhau, điều khiển tự động các trục cũng khác nhau.

♦ Mở rộng: Việc thiết lập máy in 3D thực hiện hoàn toàn không qua các phần mềm hỗ trợ in 3D chứ không phải thao tác trực tiếp trên máy. Ngoài ra, in 3D có thành công hay không cũng phụ thuộc rất lớn ở việc thiết kế mô hình 3D, có những điều cần phải lưu ý ở việc thiết kế để tối ưu hoá tốc độ in, cấu trúc của sản phẩm, có cần phải sử dụng support khi in không. Các bạn có thể xem thêm bài viết kinh nghiệm thiết kế 3D khi in 3D

3.1/ Cài đặt thông số in tốt nhất với FDM

Chất lượng, bề mặt hoàn thiện, cường độ và tốc độ in sẽ thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thông số in của bạn. Dưới đây là một số lĩnh vực chính để đảm bảo bạn đã tối ưu hóa dựa trên kết quả bạn muốn

Tốc độ in: Có, in 3D có thể cảm thấy như mất nhiều thời gian. Nhưng việc tăng tốc máy in của bạn quá nhiều sẽ tạo ra lỗi in (các góc bị vênh, các bộ phận bị mất ) và thường làm giảm chất lượng bộ phận và bề mặt hoàn thiện. Xem: Xử lý các lỗi in 3D

Chiều cao lớp layer: Chiều cao lớp thấp hơn thường có nghĩa là hoàn thiện mịn hơn, mặc dù bản in chậm hơn nhiều. Tuy nhiên, có những kịch bản mà bạn có thể sử dụng chiều cao lớp khổng lồ, tăng tốc độ in và không phải chịu bất kỳ tác động bất lợi nào. Tất cả phụ thuộc vào những gì bạn đang in. Nguyên tắc chung là nếu bạn đang in một thứ gì đó rất phức tạp, ví dụ như mặt hoặc trang sức in 3D, hãy sử dụng chiều cao lớp thấp nhất có thể. Tuy nhiên, nếu bạn đang in thứ gì đó như khối lập phương lớn, bạn có thể sử dụng chiều cao lớp lớn, in nhanh và kết quả cuối cùng sẽ trông gần giống nhau.

Đường kính đầu đùn: Đây không phải là thông số kỹ thuật mà là một bộ kit, nhưng nó quan trọng đối với cách bạn in. Máy in 3D thường sử dụng đầu phun có đường kính 0,4mm, do đó, bất cứ thứ gì tốt hơn cái này – chẳng hạn như văn bản cực kỳ chi tiết – vẫn có thể không thể in được trừ khi bạn mua vòi phun 0,2mm. Kiểm tra vòi phun bạn có trên máy in của bạn và tối ưu hóa dựa trên điều này. Đường kính vòi phun nhỏ hơn tạo ra diện tích bề mặt mịn hơn và chi tiết hơn, nhưng với chiều cao lớp thấp hơn, mất nhiều thời gian hơn để in.

Ngoài ra còn có bốn loại máy in 3D FDM khác nhau, tất cả đều thay đổi một chút. Chúng tôi có một hướng dẫn đầy đủ ở đây về từng loại máy in 3D .
Infill: Các bộ phận FDM không được in đặc, thông dụng là 20%, vẫn tạo ra các bộ phận mạnh hơn các bộ phận được tạo bằng SLA trong khi tiết kiệm tiền và thời gian. Nếu bạn chỉ cần một nguyên mẫu rất thô, đôi khi 10% sẽ làm, mặc dù trong các tình huống khác khi cần một mô hình chịu lực cao, đôi khi 80% được sử dụng.

Phần in support: Nếu bạn có một phần có phần nhô ra, bạn sẽ cần hỗ trợ hoặc phần của bạn sẽ sụp đổ và biến dạng. Máy in máy đùn kép thực hiện việc này một cách dễ dàng và có thể in các hỗ trợ trong sợi nhựa có thể hòa tan như HIPS hoặc PVA.

Giảm thiểu cong vênh trên sản phẩm: Một điều bạn phải cẩn thận với in 3D FDM là cong vênh. Các bộ phận có thể cong vênh khi sử dụng FDM vì các bộ phận của mô hình nguội ở các thời điểm khác nhau, tạo ra sức căng. Do đó, các phần của mô hình in 3D có thể co lại và co lại, ảnh hưởng đến chất lượng in và bề mặt hoàn thiện. Điều này có thể được giảm thiểu với độ bám dính tốt trên bàn in và bàn được gia nhiệt. Cả hai đều giúp neo phần này xuống, giảm cong vênh và ứng suất cho phần này. Các máy in 3D đắt tiền hơn sẽ có môi trường in được kiểm soát nhiều hơn để giảm thiểu sự cong vênh. Ví dụ, họ sẽ có các cài đặt phù hợp với từng vật liệu sợi nhựa và có khả năng thay đổi cài đặt độ ẩm và nhiệt độ để làm mát sản phẩm xuống chậm hơn nhiều. Quá trình làm mát chậm hơn này có nghĩa là bộ phận sẽ ít bị cong vênh hoặc co lại.

Loại bỏ support sau khi in: Máy in 3D FDM sử dụng các support – thường được làm từ HIPS hoặc PVA – cho bất kỳ kiểu máy nào nhô ra quá 45 độ. Đây có thể được gỡ bỏ theo hai cách; trước hết bằng cách ngâm mô hình trong hỗn hợp nước và dung dịch tẩy rửa (nếu vật liệu hỗ trợ có thể hòa tan). Một cách khác là chỉ cần tắt các hỗ trợ bằng tay của bạn, mặc dù điều này có nguy cơ làm hỏng bản in. Bạn cũng có thể chà nhám bản in cho hoàn thiện mịn hơn, hoặc sơn nó cho đẹp hơn.

4/ Vật liệu in 3D FDM

Hiện nay In 3D không còn là chủ đề xa lạ với nhiều người, với giá thành máy in 3D hiện nay khá rẻ, hầu hết mọi người đều có thể tiếp cận được, tùy sinh viên cho tới các công ty, giá cả thay đổi tùy theo kết cấu và độ chính xác cũng như tính năng của sản phẩm. Khi mua máy in 3D thì việc đầu tiên người dùng quan tâm là chi phí sử dụng, ở đây chủ yếu là nhựa in 3D và nói chung, nhựa in 3D ở Việt Nam rẻ hơn gấp 5 lần so với các nước, vì chúng ta nhập trực tiếp từ trung quốc và đa phần là nhập không chính ngạch. In 3D đã được áp dụng khi in các mãnh vỡ hộp sọ trong điều trị chấn thương sọ não cách đây hơn chục năm, và hiện nay in 3D đã mở rộng sang lĩnh vực thực phẩm, xây dựng và cả in 3D kim loại cho các kết cấu phức tạp từ hàng không, vũ trụ.

Tuy nhiên phổ biến nhất và được nhiều người sử dụng nhất là vật liệu in 3D từ Polymer ( nhựa), vì chúng dễ sử dụng, giá hợp lý và phù hợp với nhu cầu dân dụng cũng như tạo các sản phẩm giá rẻ và có thể cạnh tranh trực tiếp với gia công truyền thống ( khuôn nhựa, cnc). Nhựa in 3D hiện nay có khá nhiều loại, để có thể tiếp cận hết chúng bạn phải có kinh nghiệm nhất định, phải hiểu rõ thông số và ứng dụng và bước đầu tiên là tiếp cận với các loại nhựa in 3D phổ biến nhất bao gồm

Máy in 3D FDM sử dụng các sợi nhỏ là nhựa nhiệt dẻo có dạng cuộn:PLA, ABS, PC (polycarbonate), PEI, TPU, PEEK và nhiều loại sợi khác. Ống chỉ dây tóc được đưa vào máy in 3D FDM. Các sợi máy in 3D này thường có kích thước đường kính 1,75mm hoặc 3 mm. Nội dung này sẽ đề cập đến 2 loại nhựa được sử dụng rất phổ biến trong công nghệ in 3D FDM là PLA và ABS.

4.1/ Nhựa PLA (Polylactic Acid)

Có lẽ không có gì ngạc nhiên khi một trong những loại nhựa sinh học được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới cũng sẽ chiếm ưu thế trong in 3D. Một loại nhựa aliphatic nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học, PLA được làm từ các nguồn tài nguyên hữu cơ có thể tái tạo như tinh bột ngô hoặc mía. Nó thường được sử dụng để làm bao bì thực phẩm và các thiết bị y tế và cấy ghép phân hủy sinh học. PLA rất tốt cho in 3D vì nó dễ tạo hình, thân thiện với môi trường, có nhiều màu sắc khác nhau và có thể được sử dụng làm các sản phẩm từ nhựa đa dạng ứng dụng.

Một vật liệu thường được sử dụng là PLA (Polylactic Acid) – một loại nhựa phân hủy sinh học được hình thành bởi bột bắp hoặc một loại rau tương tự. Một điểm tích cực của việc sử dụng PLA là nó thân thiện với môi trường hơn vì đây là nguyên liệu thô tái tạo, đó là lý do tại sao nó cũng có ứng dụng rộng rãi trong bao bì thực phẩm. Bạn có thể in PLA trên máy in 3D mà không có bất kỳ thay đổi nghiêm trọng nào – bạn không yêu cầu giường nóng như bạn muốn in 3D. Nó cũng tan chảy ở nhiệt độ thấp và an toàn, khoảng 150 ° C. Tuy nhiên, bản in trong PLA thường dễ vỡ hơn so với bản in trong ABS.

 

4.2/ Nhựa ABS (Acrylonitrile butadiene styrene )

Nhựa ABS là một terpolyme được chế tạo bằng cách trùng hợp styrene và acrylonitril với polybutadiene, ABS là một loại nhựa khác thường được sử dụng trong in 3D. Người mới bắt đầu đặc biệt thích nó vì nó dễ sử dụng ở dạng sợi nhựa, và bởi vì nó có độ bền cao, mạnh mẽ, chịu nhiệt, tiết kiệm chi phí và linh hoạt. Tuy nhiên, vì nó có nguồn gốc từ dầu mỏ và không phân hủy sinh học, nên ABS đang mất dần sự phổ biến của những người có sở thích 3D, những người thích bản chất thân thiện với môi trường hơn của PLA. Ngoài ra, khi được gia nhiệt khi in 3D, ABS có thể tạo ra khói có thể gây khó chịu cho người dùng.

Vật liệu ABS là một loại polymer cũng được sử dụng trong các vật dụng gia đình như Lego, và phổ biến vì nó rẻ tiền, cung cấp khả năng kháng hóa chất tốt và khá mạnh. Bạn in bằng ABS, bạn cần làm nóng nó đến điểm nóng chảy của nó – khoảng 200 ° C – nhiệt độ tương đối an toàn và thấp so với một số sợi nhỏ hơn, mặc dù cao hơn PLA. Tuy nhiên, để in bằng ABS, bạn cần một máy in 3D FDM có mặt bàn được làm nóng, hoặc bản in của bạn sẽ bị cong vênh đáng kể.

4.3/ Nhựa PVA (Polyvinyl Alcohol Plastic) – Vật liệu in support

Nhựa PVA Là một loại nhựa hòa tan trong nước, PVA thường được sử dụng làm keo, chất làm đặc hoặc màng đóng gói. Trong thế giới in 3D, PVA không nhất thiết phải được sử dụng để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh, mà là để tạo ra một cấu trúc hỗ trợ (support) cho các bộ phận của sản phẩm có thể bị cong vênh hoặc sụp đổ trong quá trình in. Trong các máy in có hai hoặc nhiều đầu đùn, người dùng có thể sử dụng một đầu đùn để in sản phẩm, và 1 đầu đùn để in support bằng PVA , hiện nay các phần mềm in 3d đều hỗ trợ tính năng này, bạn chỉ cần chọn chế độ in riêng cho mỗi phần là xong. Khi in xong, sản phẩm sẽ được nhúng trong nước cho đến khi cấu trúc hỗ trợ (support) PVA tan hết và bạn sẽ có một sản phẩm chất lượng mà không cần phải gỡ bỏ support bằng tay mất thời gian cũng như ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Các vật liệu hỗ trợ (in support) có thể được làm từ cùng một vật liệu như được sử dụng trong in 3D hoặc từ PPSF, PVA hoặc HIPS. Nếu bạn đang sử dụng máy in 3D máy đùn kép , máy đùn khác có thể in hỗ trợ trong các vật liệu khác này đồng thời. Bất kỳ khu vực nào trước đây được hỗ trợ bởi các hỗ trợ bị loại bỏ sẽ có một kết thúc mịn hơn đáng kể so với các khu vực không có.

5/ Hiệu suất máy in 3D FDM

Mặc dù giá cả phải chăng, dễ tiếp cận và sử dụng đơn giản, máy in 3D FDM / FFF thiếu ở một số khu vực. Thứ nhất, chúng chậm. Do tạo từng lớp từ từ, bản in lớn hơn kích thước của một chiếc bình có thể mất 12 giờ. Nếu bạn đang tìm cách in 3D với tốc độ, bạn sẽ tốt hơn nhiều với SLA hoặc SLS , hoặc thậm chí với công nghệ CLIP của Carbon 3D để in tốc độ siêu cao!

Hơn nữa, chất lượng in là đủ, nhưng không tuyệt vời. Mặc dù các máy in 3D FDM tốt nhất có độ chính xác lên tới khoảng 50 micron, nhưng điều này không lý tưởng và đôi khi bạn vẫn có thể nhìn thấy các lớp trên một mô hình. Các công nghệ in 3D như SLA và Binder Joking tốt hơn cho in chất lượng cao vì chúng mang lại độ chính xác và chất lượng tổng thể cao hơn.

6/ Các ứng dụng của công nghệ in 3D FDM

Công nghệ in 3D FDM là tuyệt vời cho tạo mẫu nhanh vì nó có thể tạo ra các bản sao thiết kế giá rẻ. Do đó, đây là công dụng chính của FDM, mặc dù nó cũng có một số ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, y tế và nghệ thuật. Các công ty nổi tiếng như BMW, Huyndai và Nestle được biết đến với việc sử dụng FDM trong các quy trình của họ. Đây là nguyên mẫu nhanh chóng để tạo ra protypes nhanh chóng để đo lường hiệu quả của chúng. Ngoài ra, có một số cá nhân và công ty tuyệt vời đang sử dụng FDM để tạo ra các bộ phận giả in 3D chi phí thấp cho những người có nhu cầu.

Ngoài các ứng dụng công nghiệp, công nghên in 3d FDM là lựa chọn cho hầu hết các nhà sản xuất thích mày mò với các mô hình và in chúng tại nhà. Nếu bạn đang tìm kiếm một máy in 3D giá rẻ để thử mọi thứ, hãy bắt đầu với mô hình lắng đọng hợp nhất.

7/ Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ in 3D FDM

7.1/ Ưu điểm

FDM là một công nghệ in 3D có giá rẻ và dễ tiếp cận. Điều này làm cho nó hoàn hảo cho người mới bắt đầu in 3D. Đây cũng là công nghệ tạo mẫu nhanh được sử dụng phổ biến nhất do dễ tiếp cận. Công nghệ này rất đơn giản để sử dụng và máy in thường thân thiện với người dùng. Điều này là do FDM chủ yếu là người tiêu dùng chứ không phải là quy trình công nghiệp nên đã nỗ lực để làm cho máy in 3D dễ sử dụng.

7.2/ Nhược điểm và hạn chế

• Chất lượng in của bản in 3D FDM / FFF không tốt bằng SLA hoặc SLS .
• In 3D với mô hình lắng đọng hợp nhất là chậm. Điều này làm cho nó không thể sử dụng được trong một số ngành công nghiệp khi cần số lượng lớn các bộ phận một cách nhanh chóng.
• Việc in từng lớp trong FDM đôi khi có thể dẫn đến các vấn đề với cong vênh và co rút nhỏ.
• Do đó, để tóm tắt, FDM là một lựa chọn in 3D tuyệt vời cho người mới bắt đầu do tính đơn giản và chi phí rẻ. Tuy nhiên, đối với người dùng đang tìm cách in số lượng lớn các mô hình một cách nhanh chóng và với chất lượng rất cao, bạn nên ở nơi khác tốt hơn.