In 3D là một phương pháp chế tạo vật thể ba chiều bằng cách lắng đọng từng lớp vật liệu chồng lên nhau. Khác với máy in mực truyền thống chỉ tạo ra các hình dạng hai chiều trên giấy in. Công nghệ in 3D được sử dụng chủ yếu để tạo nhanh các mẫu hình kỹ thuật. Tuy nhiên, những tiến bộ mới đây về vật liệu in đã cho phép các máy in 3D tạo ra các sản phẩm có chất lượng ngang với các phương pháp gia công truyền thống.

Nguyên lý chế tạo vật thể ba chiều bằng cách in chồng các lớp liên tiếp lên nhau được Charles Hull mô tả lần đầu tiên trong bằng phát minh sáng chế được cấp vào năm 1986. Từ đó nó được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất các cấu kiện liền mạch dạng 3D mà các phương pháp khác không thể tạo ra. Những tiến bộ gần đây về công nghệ vi chip và công nghệ thông tin đã cho phép giảm giá thành của các máy này khiến cho nó phổ biến đến từng cá nhân. Điều này hứa hẹn tạo ra một cuộc cách mạng về cá nhân hóa việc sản xuất vật dụng giống như đã xảy ra trong cuộc cách mạng công nghệ thông tin nhờ cá nhân hóa máy tính.

Có hai ưu điểm chỉ duy nhất phương pháp chế tạo dựa trên in 3D có so với các phương pháp khác. Một là, khả năng tùy biến trong thiết kế chế tạo, giá thành chế tạo sản phẩm đầu bằng sản phẩm cuối. Nói cách khác gần như không có khoảng cách về giá thành chế tạo của sản phẩm đơn chiếc so với sản xuất đại trà. Hai là, về nguyên tắc công nghệ chế tạo bằng in 3D có thể tạo ra các vật thể ba chiều liền mạch trong một lần in mà đối với các phương pháp khác là bất khả.

Đặc biệt trong lĩnh vực giáo dục, nhóm nghiên cứu của David P. Smith ở đại học Sheffield, UK đã áp dụng công nghệ này để in ra các mô hình cấu trúc phân tử sinh học ba chiều giúp nâng cao đáng kể hiệu quả truyền đạt kiến thức trong giảng dạy sinh học phân tử nhờ khả năng khái quát hóa trực quan thông qua việc quan sát và cầm nắm các vật thể 3D của sinh viên. Nhóm nghiên cứu của Jan Sylwester Witowski tại Ba Lan áp dụng các mô hình giải phẫu in 3D để giúp các sinh viên khiếm thị cảm nhận bằng xúc giác về giải phẫu cơ thể trong quá trình giảng dạy.

Nhìn chung trên thế giới, công nghệ in 3D phát triển cho các máy in để bàn cỡ nhỏ vẫn đang trong quá trình trưởng thành. Người ta vẫn đang tìm cách khai thác các tiềm năng ứng dụng của công nghệ này trong các lĩnh vực đời sống, đặc biết ở các lĩnh vực phi truyền thống như giáo dục, y tế. Sự đa dạng trong thiết kế của các máy in thương mại cỡ nhỏ, khiến cho chất lượng sản phẩm in ra phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người sử dụng, cần các thử nghiệm mang tính hệ thống về sự phụ thuộc vào các thông số của quá trình in FDM (fused deposition modeling).

Tại Việt Nam, đón được xu thế cá nhân hóa công nghệ in 3D, kể từ năm 2014, nhiều nhóm sinh viên ở các trường đại học Việt Nam đã làm đề tài chế tạo máy in 3D dạng phun nóng chảy (FDM). Gần đây do nhận thức về làn sóng công nghệ 4.0 từ bộ khoa học công nghệ nhiều nhóm ở trường đại học cũng như cơ sở tư nhân đã nhập linh kiện chế tạo các máy in 3D cỡ nhỏ theo các bản thiết kế mã mở trên mạng, cũng như tự phát triển những thiết kế riêng. Việc mua linh kiện chế tạo và vật liệu in trở nên dễ dàng hơn. Bước đầu những máy in chế tạo ra phục vụ sở thích và chứng minh hoạt động.

Về mặt giáo dục, từ năm 2015 bộ Khoa học và Công nghệ đã đứng ra bảo trợ cho các đơn vị làm giáo dục tổ chức ngày hội STEM thường niên nhằm phát động phong trào này đến các trường phổ thông trong cả nước. Xuất hiện một nhu cầu lớn về các dụng cụ (giáo cụ) hỗ trợ giảng dạy theo mô hình này (kết hợp khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học). Hiện nay phần lớn các cơ sở cung cấp giáo dục STEM, phục vụ học sinh THPT, đều dựa trên một vài thiết bị đắt tiền mua của nước ngoài mang tính biểu diễn, hoặc tự chế dưới dạng thô sơ hàm lượng khoa học thấp.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Cơ quan chủ trì Đại học Quốc gia Hà Nội cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Anh Tuấn thực hiện “Nghiên cứu chế tạo giáo cụ trực quan phục vụ giảng dạy STEM bằng công nghệ in 3D” với mục tiêu: Lắp ráp thử nghiệm các máy in 3D FDM cỡ nhỏ sử dụng những linh kiện sẵn có trên thị trường. Tiến hành in thử, khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành máy in đến chất lượng bản in cuối. Rút ra quy trình từ thiết kế đến hoàn thiện sản phẩm cuối phục vụ việc in ra các giáo cụ trực quan sử dụng trong giảng dạy STEM; Thực hiện việc chế tạo các giáo cụ trực quan giảng dạy STEM, cùng với việc chế tạo nhanh các thiết bị hỗ trợ thí nghiệm vật lý xuất phát từ nhu cầu thực tế.; Đưa ra sáng chế nhằm cải tiến kỹ thuật in 3D FDM dựa trên những kinh nghiệm vận hành thực tế.

Do sự đa dạng của các máy in 3D cỡ nhỏ hiện có trên thị trường, cùng với mẫu thiết kế mã mở khác nhau của loại máy in FDM, bước đầu chúng tôi cần tìm hiểu, lựa chọn công nghệ phù hợp với nhu cầu thực tế đặt ra của đề tài. Căn cứ vào kích thước, độ phân giải, độ chịu lực của các sản phẩm cần in, chúng tôi cần lựa chọn cấu hình máy in phù hợp. Những lựa chọn này cũng phải dựa vào sự sẵn có của các linh kiện máy in hiện có thể tiếp cận trên thực tế.

Bước tiếp theo cần nghiên cứu thiết kế các mô hình 3D trên máy tính phù hợp với nội dung kiến thức giảng dạy theo hướng Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật, và Toán học (Science, Technology, Engineering, and Mathematics - STEM).

Sau đó, tiến hành thử nghiệm, tối ưu hóa các thông số in, để đưa ra quy trình in phù hợp nhất trong việc chế tạo nhanh các mẫu hình đã thiết kế làm giáo cụ giúp giảng dạy trực quan các nội dung kể trên. Lặp lại việc chế tạo nhiều lần để tìm ra giải pháp thiết kế tối ưu, lựa chọn vật liệu in phù hợp, điều chỉnh các thông số in (thời gian, nhiệt độ, tốc độ phun, tốc độ dịch chuyển các trục X, Y, Z…). Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số in tới độ phân giải và chất lượng của sản phẩm 5 cuối. Tiến hành in các sản phẩm và đưa vào sử dụng thực tế để có thông tin phản hồi nhằm hoàn thiện quy trình, cũng như thay đổi thiết kế nếu cần.

Sau quá trình thực hiện đề tài nhóm tác giả đã lắp ráp các máy in 3D dạng FDM, tiến hành thử nghiệm và đưa ra quy trình áp dụng công nghệ in 3D này để làm ra các giáo cụ trực quan giảng dạy STEM, các mô hình tinh thể trong nghiên cứu, cũng như chế tạo nhanh các dụng cụ hỗ trợ nghiên cứu thực nghiệm tại đơn vị. Dựa trên các hoạt động vận hành thực tế, nhóm đã đề xuất và đăng ký sáng chế về hệ thống gia cố độ kết dính lớp cho bản in 3D, cụ thể là sử dụng các chùm tia laze để làm tăng độ kết dính giữa các lớp in trong quá trình in 3D dạng FDM, đăng ký này đã được chấp nhận đơn hợp lệ vào tháng 8 năm 2019. Mọi sản phẩm của đề tài đều đã được hoàn thành đạt hoặc vượt số lượng, chỉ tiêu đã đã đăng ký. Ngoài ra chúng tôi cũng đã chia sẻ kinh nghiệm lắp ráp vận hành máy in 3D cho các đồng nghiệp để áp dụng vào các hoạt động hỗ trợ nghiên cứu cụ thể trong đơn vị.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17549/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)