Ứng dụng của công nghệ in 3D | Technicalvn

Công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển, không chỉ giúp cho việc chế tạo khuôn mẫu được chính xác và dễ dàng hơn mà còn tìm được nhiều ứng dụng trong thực tế cuộc sống. Công nghệ in 3D đang được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng… Dưới đây là những lĩnh vực chính được ứng dụng công nghệ in 3D. nơi khác mang đến. Vì vậy, in 3D mở ra tiềm năng về lợi thế chi phí sản xuất, cải tiến quy trình và cả sản phẩm cho các nhà cung cấp trong một số trường hợp cụ thể.

Bạn sẽ phải tìm hiểu rất nhiều kiến thức về máy in 3D: Nguyên lý hoạt động, kết cấu máy, các loại máy, cách sử dụng, các lỗi phát sinh trong qua trình vận hành để tiếp tục nghiên cứu về công nghệ in 3D

1/ Công nghiệp sản xuất/chế tạo

1.1/ Trong ngành công nghiệp ô tô

Ngoài mục đích thử nghiệm, thiết kế, tạo mẫu và sản xuất một số bộ phận, công cụ lắp ráp đặc biệt, ngành công nghiệp ô tô đã sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất ra những chiếc xe hoàn chỉnh. Trên thực tế, chiếc xe hơi đầu tiên được tạo ra bằng công nghệ in 3D là Urbee, được sản xuất toàn bộ bằng công nghệ in 3D. Đa số chi tiết máy được in trên máy in 3D của Công ty Statasys – nhà sản xuất các hệ thống sao chép nhanh các loại khuôn mẫu. Nhà sản xuất chiếc xe này đã tập trung vào việc tăng tối đa số lượng các bộ phận xe được in 3D với mục tiêu chính là tiết kiệm nhiên liệu. Tuy Urbee chưa thể đạt được vận tốc như những chiếc ôtô thông thường nhưng lại tiết kiệm nhiên liệu hơn hẳn và được thiết kế khá đẹp mắt.

Urbee được làm bằng cách dùng một chiếc máy in 3D đặc biệt, in dần từng lớp thân xe và phần lớn các chi tiết máy. Bởi thế nên quá trình “sản xuất kĩ thuật số” này thu hút rất nhiều sự chú ý, vì nó khác xa với thông thường, và cũng vô cùng đơn giản
“chỉ là đặt những chất liệu vào vị trí cần thiết”.

Urbee là một trong những chiếc xe “xanh” nhất trên thế giới từ trước tới nay, với một động cơ hỗn hợp xăng và điện bên dưới. Nó sử dụng năng lượng chỉ bằng một phần tám các loại phương tiện tương tự, có thể chạy 200 dặm/gallon trên đường cao tốc. Và tuyệt vời hơn, Urbee được tạo thành từ các vật liệu tái chế. Chiếc xe mất đến
15 năm để nghiên cứu và chế tạo này có ba bánh, hai chỗ ngồi và một động cơ đốt trong cho những trường hợp khẩn cấp. Động cơ xi-lanh của nó chỉ 8 mã lực, nhưng có thể chạy 70 dặm một giờ nếu cần thiết, bởi sự nhẹ nhàng và tính hiệu quả. Chất liệu tạo ra nó có thể bền trong 30 năm. Với giá mua mới vào khoảng 50.000 USD, nhưng giá Urbee sẽ giảm khi được sản xuất hàng loạt.

Tại triển lãm Geneva 2014, Hãng EDAG đã giới thiệu một công nghệ in 3D để sản xuất xe hơi EDAG Genesis có bộ khung dạng xương và các bộ phận khác với hình dạng mà công nghệ sản xuất xe thông thường không thể làm được, nhưng công nghệ
3D có thể. Hãng EDAG cho biết, công nghệ mới cho phép xe sử dụng những hình dạng và cấu trúc có trong tự nhiên, với kết cấu cứng và nhẹ là bản chất, như các loại vỏ ốc hay cấu trúc tổ ong bên trong xương. Bộ khung dạng xương của Genesis có cấu trúc chống va chạm, giống bất cứ chiếc xe hơi nào hiện nay. Chỉ có điều, kết cấu này phức tạp hơn nhiều so với bất cứ thứ gì có thể được sản xuất bằng cách dập hay ép kim loại, đồng thời tạo ra độ cứng và bền vượt trội.

Các nhà sản xuất xe hơi lớn của Hoa Kỳ là Ford, GE và Mattel đang sử dụng in 3D để cắt giảm chi phí và thời gian sản xuất trong giai đoạn tạo mẫu. Ford sử dụng công nghệ in 3D trong việc chế tạo các đầu xi-lanh được sử dụng trong động cơ
EcoBoost (động cơ sử dụng trong xe đua) nhằm giảm nhiên liệu tiêu thụ. Công đoạn này đã giảm khoảng 20-45% thời gian sản xuất. Còn GE thì ứng dụng công nghệ in 3D trong quá trình sản xuất đầu dò siêu âm, giúp cắt giảm khoảng 30% chi phí hoạt động.

1.2/ Trong ngành công nghiệp điện tử

Trong ngành công nghiệp điện tử: Công nghiệp điện tử cũng là một trong những ngành ứng dụng đầu tiên của in 3D. Máy in 3D đã được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau và đã mở ra một trào lưu mới của ngành công nghiệp này. Rõ ràng, khi áp dụng công nghệ này thì những chi tiết phức tạp được in ra một cách nhanh chóng và chuẩn xác hơn rất nhiều.

Hãng Cartesian của Úc đã tạo ra máy in 3D Argentum, phun ra mực dẫn điện (làm bằng các hạt nano bạc) lên giấy, vải, acrylic, nhựa, MDF và nhiều chất liệu sợi thủy tinh khác, tạo ra các bo mạch cứng và linh hoạt, thậm chí có thể được dệt vào quần áo.

Mới đây, tháng 6/2017, một nhóm sinh viên tốt nghiệp Đại học Stanford đã chế tạo ra một dạng máy in 3D có chức năng tạo ra các mạch điện có thể hoạt động được tên là Rabbit Proto. Cụ thể máy in 3D xử lý các chất liệu bán dẫn song song với chất liệu nhựa thông thường. Các vật liệu dẫn điện có thể được nhúng trong các mô hình 3D và in ra trong cùng quá trình in 3D đó. Đầu in 3D Proto Rabbit được thiết kế để phù hợp với các phiên bản khác nhau của máy in RepRap. Máy in RepRap là sản phẩm được thiết kế để có thể in hầu hết các thành phần chất liệu, trong đó có Acrylonitrile butadiene styrene (ABS), Axid polylactic (PLA), hoặc các hình thức khác của nhựa polymer nhiệt.

1.3/ Trong lĩnh vực năng lượng

Trong lĩnh vực năng lượng: Hãng Siemen đã chế tạo và thử nghiệm thành công cánh quạt động cơ Turbine khí bằng công nghệ in 3D, mở đường cho các nhà sản xuất điện và các thiết bị nặng khác sử dụng công nghệ in 3D, không những để chế tạo các mô hình hoặc nguyên mẫu mà còn chế tạo những chi tiết thực tế trong sản phẩm của họ.

Tua bin khí là động cơ đốt trong tạo ra dòng điện ở trung tâm khối động cơ. Chúng chuyển đổi khí đốt tự nhiên hoặc các nhiên liệu lỏng sang năng lượng cơ học, dẫn động máy phát điện sinh ra năng lượng điện. Siemens cho biết thử nghiệm đã được tiến hành thành công tại Trung tâm thử nghiệm tuabin ở London (Anh) trong vài tháng, là một bước tiến lớn trong việc sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo các thiết bị phát điện. Một trong những lĩnh vực đòi hỏi khắt khe nhất đối với tính ứng dụng công nghệ này.

Trước đây, quá trình sản xuất cánh quạt tuabin có thể chịu được các điều kiện này được sản xuất thông qua quá trình đúc hoặc rèn, đòi hỏi tốn nhiều thời gian và chi phí. Tuy nhiên, nếu những cánh quạt tuabin này có thể được sản xuất bằng cách sử dụng công nghệ in 3D, quá trình sản xuất chúng sẽ đơn giản hơn và ít tốn kém hơn rất nhiều. Trong quá trình in 3D, chùm tia laze chiếu vào các lớp bột kim loại để nung nóng đến khi tan chảy rồi sau đó được làm nguội. Quá trình này được lặp đi lặp lại từng lớp một cho đến khi một nguyên mẫu cánh quạt tuabin được in 3D hoàn tất. Ứng dụng quá trình này, nhóm kỹ sư của Siemens đã sản xuất ra một cánh quạt tuabin khí từ thiết kế của nó chỉ trong trong hai tháng so với hai năm, khoảng thời gian để sản xuất một cánh quạt tuabin thông thường. Tính linh hoạt mới trong sản xuất cho phép điều chỉnh chính xác hơn theo yêu cầu của khách hàng và cung cấp các bộ phận, phụ tùng riêng theo yêu cầu.

1.4/ Ngành hàng không vũ trụ

Ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng: Trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ và quốc phòng cũng đã áp dụng công nghệ in 3D vào thực tiễn như sản xuất các bộ phận của máy bay, tàu vũ trụ, chế tạo súng … Đa phần in 3D đều được sử dụng để sản xuất các bộ phận phức tạp nhất.

Người ta đã ứng dụng công nghệ sản xuất 3D trong việc sản xuất các bộ phận máy bay, đặc biệt là các bộ phận có hình dạng phức tạp. Công nghệ tiên tiến này hữu ích trong sản xuất công cụ, kiểm tra, bảo trì, lắp ráp và hạn chế số lượng hàng tồn kho. Hơn nữa, in 3D cho phép cải tiến hiệu suất, như tiết kiệm nhiên liệu nhờ giảm trọng lượng các bộ phận từ các nguyên liệu tiên tiến hơn.

Những máy In 3D đã xâm nhập vào công nghệ hàng không và tạo ra nhiều sản phẩm giá trị cao, khối lượng thấp. Airbus là hãng hàng không đầu tiên áp dụng công nghệ in 3D để tạo ra nhiều bộ phận cho chiếc máy bay. Airbus cho biết các sản phẩm tạo ra bởi công nghệ In 3D tốt hơn, chắc hơn, nhẹ hơn từ 50%-80%, và cứ giảm bớt được 220 cân nặng thì công ty tiết kiệm được 2,5 triệu USD tiền mua nhiên liệu mỗi năm. Hiện hãng Boeing cũng đã in 200 bộ phận khác nhau cho 10 loại máy bay.

NASA ứng dụng công nghệ in 3D

Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất một số bộ phận đặc biệt cho tàu vũ trụ. Hơn thế, NASA đã thực hiện việc in ấn này ngay trong không gian vũ trụ.

NASA đã cùng với đối tác là công ty Made in Space phát triển máy in 3D trên không gian. Những đợt thử nghiệm công nghệ in 3D trên tàu giả lập không trọng lượng Vomit Comet

Máy in 3D Made in Space thử nghiệm trên tàu giả lập không trọng lượng Vomit Comet đã được bắt đầu từ năm 2011. Máy in 3D này sẽ sản xuất các thiết bị phụ kiện, bộ phận thay thế hay tái chế nguyên liệu trong suốt chuyến bay. Made in Space hi vọng máy in 3D này có thể tạo được ra những vệ tinh nhỏ như CubeSats. Và gần đây, NASA đã cho biết tiềm năng của máy in 3D trong việc chế tạo đèn chiếu sáng không gian và khả năng phục vụ việc khám phá vũ trũ là rất lớn. Công nghệ in 3D cũng cho phép cuộc thám hiểm không gian kéo dài hơn bình thường.

Tháng 4/2017, NASA đã dùng máy in 3D sản xuất áo giáp “Chain mail” bảo vệ phi hành gia và tàu vũ trụ. “Chain mail” là loại áo giáp thiết yếu đối với một chiến binh thời trung cổ, nó xuất hiện trong rất nhiều phim, truyện và trò chơi. Nhưng hiện nay, các kỹ sư của NASA đɑng hi vọng có thể sử dụng loại áo giáρ này cho các nhiệm vụ ngoài không giɑn. Đương nhiên loại áo giáp này sẽ được ƝASA “nâng cấp” để nó trở nên hữu ích trong việc giúρ các phi hành gia và tàu vũ trụ chống chịu với môi trường khắc nghiệt củɑ vũ trụ. Được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu củɑ Raul Polit Casillas từ Phòng thí nghiệm Ƥhản lực ở Pasadena, California. Các nhà khoɑ học NASA đã tạo ra phiên bản “chain mail” củɑ thế kỷ 21. Thay vì một thợ rèn thời trung cổ dành hàng tuần lễ để nối từng vòng kim loại nhỏ lại với nhɑu thành hình chiếc áo, các nhà khoɑ học đã sử dụng máy in 3D để tạo rɑ chiếc áo. Điều đó có nghĩa là, những chiếc “áo giáρ” có thể được sản xuất khi cần thiết ở trạm không giɑn, hoặc các môi trường sống khác trên Ƭrái đất, tùy thuộc vào nơi mà chúng tɑ sẽ đặt chân đến trong những thập kỷ tới.

NASA còn dự định sử dụng máy in 3D để xây dựng nhà trên Mặt trăng, tạo các thiết bị di chuyển bao gồm cả động cơ tên lửa…

1.5/ Ngành công nghiệp quốc phòng

Ngành công nghiệp quốc phòng sử dụng in 3D cho các mục đích sản xuất đặc biệt và tiết kiệm chi phí. Ngoài sản xuất theo yêu cầu phức tạp, sản xuất với số lượng nhỏ, in 3D có lợi thế khác biệt trong sản xuất quốc phòng – đó là sản xuất và thay thế nhanh chóng khi có nhu cầu, và trực tiếp trên chiến trường. Sau việc sử dụng nhựa để sản xuất, máy in kim loại 3D chế tạo súng đã ra đời bởi một công ty con của tập đoàn Stratasys.

Khẩu súng bắn đạn thật đầu tiên được sản xuất bằng công nghệ in 3D ra đời năm 2013, khẩu súng mang tên Liberator của một sinh viên người Mỹ là Cody Wilson. Liberator được tạo nên từ 16 thành phần linh kiện khác nhau trong đó 15 chi tiết làm bằng nhựa ABS, chỉ riêng kim hỏa làm từ kim loại. Hiện tại, bản thiết kế súng 3D của Wilson đã có hàng trăm nghìn lượt tải và trở nên cực kỳ phổ biến, thậm chí nằm ngoài tầm kiểm soát của Chính phủ Hoa Kỳ.

Khác với khẩu súng Liberator trước đây, khẩu súng được sản xuất bằng máy in 3D của hãng Solid Concepts dùng chất liệu kim loại và có khả năng bắn 50 loạt đạt. Solid Concepts, hãng chế tạo ra chiếc súng 3D kim loại này cho biết họ đã sử dụng Công nghệ DMLS và nhiều loại bột kim loại để chế tạo ra sản phẩm. Theo Solid Concepts, việc chế tạo ra “súng thực sự” bằng cách in 3D là để chứng minh rằng tiềm năng của công nghệ in 3D rất lớn, vượt xa ngưỡng “in đồ trang sức và đầu Yoda (một nhân vật trong Star Wars)” như người ta vẫn thường nghĩ. Những gì mà hãng Solid Concepts làm với súng được in 3D đã cho thấy công nghệ DMLS là một công nghệ khả thi và có tiềm năng không hề nhỏ trong sản xuất súng bằng máy in 3D. Với khả năng bắn được 50 loạt đạn, và thậm chí là còn hơn thế, những khẩu súng in bằng công nghệ DMLS là rất chất lượng. Và trong tương lai, sự phổ biến của công nghệ này là không thể tránh khỏi.

Công nghệ in 3D được phát triển với mục đích thúc đẩy sự tiến hóa của nhiều ngành khoa học. Thậm chí Chính phủ Hoa Kỳ đã cho phép dùng máy in 3D để sản xuất một số loại vũ khí chiến đấu phục vụ quốc phòng và có thể trang bị cho các lực lượng đặc nhiệm. Tuy nhiên, nếu không thể kiểm soát tình hình hiện nay, xã hội Hoa Kỳ có thể phải đứng trước nhiều nguy cơ khủng bố cũng như bạo lực bằng vũ khí nóng leo thang.

Công nghệ in 3D không chỉ tạo ra những thiết kế mới đáng kinh ngạc mà còn đưa công nghệ quốc phòng sang một giai đoạn mới. Công nghệ in 3D đem đến sự linh hoạt cho quân đội, nhà sản xuất quốc phòng và quân sự của chính phủ trong thiết kế những chi tiết thành phẩm đơn lẻ, tạo ra công cụ với thể tích nhỏ nhanh hơn và xây dựng các mô hình phức tạp rất chính xác. Điều này thực sự là điểm mạnh khi thiết bị tùy chỉnh là vô cùng cần thiết cũng như nhằm đáp ứng thời gian biểu chặt chẽ.

Hiện nay, các nền công nghiệp quốc phòng lớn trên thế giới đang hướng tới việc vận dụng công nghệ in 3D trong sản xuất. Điển hình như ở Hoa Kỳ, Lầu Năm góc đã đầu tư một khoản không hề nhỏ cho việc in 3D quân phục, các mẫu da nhân tạo giúp điều trị vết thương, thậm chí cả đồ ăn phục vụ quân đội. Các nhà khoa học tại Học viện công nghệ Massachusetts (MIT) cũng đã sáng tạo ra vật liệu cho in 3D có thể thay đổi khi tiếp xúc với các yếu tố khác nhau, ví dụ như nước. Công nghệ mới này mở ra triển vọng một ngày không xa, quân đội sẽ có những bộ quân phục đổi màu theo môi trường.

Hoa Kỳ đã cho xây dựng một viện nghiên cứu công nghệ in 3D thí điểm ở Youngstown, Ohio với khoản trợ cấp liên bang là 30 triệu USD. Nó bao gồm một tổ hợp các công ty sản xuất, các trường đại học, trường cao đẳng cộng đồng và các nhóm phi lợi nhuận trên khắp Virginia Ohio Pennsylvania.

Cựu Tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama từng tuyên bố, Chính phủ Hoa Kỳ rất quan tâm đến công nghệ in 3D. Theo ông Obama thì công nghệ này có thể đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp quốc phòng và thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp sản xuất của Hoa Kỳ. Mà cụ thể thì công nghệ này có thể giúp thiết kế vũ khí và trang bị mới cho quân đội.

Ba lĩnh vực công nghệ chính mà Hoa Kỳ muốn áp dụng công nghệ in 3d vào là sản xuất kỹ thuật số, sản xuất kim loại nhẹ và hiện đại, và thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo. Ví dụ như trong sản xuất kim loại nhẹ và hiện đại thì công nghệ này sẽ giúp giảm giá thành chế tạo và năng suất các động cơ tua-bin gió, các thiết bị y tế, động cơ và các loại xe chiến đấu bọc thép, chế tạo vũ khí công nghệ cao hoặc các thiết bị dành cho lực lượng đặc nhiệm.

Tuy nhiên, các chuyên gia cũng nhận định, nếu công nghệ in 3D thực sự được áp dụng rộng rãi và thay thế cho hoạt động sản xuất thông thường, thế giới sẽ phải chứng kiến những biến động lớn cả về chính trị, quốc phòng và kinh tế, sẽ có những biến động chính trị ở các quốc gia có nền công nghiệp quốc phòng lớn như Hoa Kỳ khi nhiều công ty trải khắp đất nước tạo việc làm cho hàng triệu người đứng trước nguy cơ bị cắt hợp đồng phục vụ cho quân đội.

2/ Y tế và chăm sóc sức khỏe

Ưu điểm của in 3D được thể hiện rất rõ trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ với vô vàn ứng dụng. Công nghệ in 3D rất hữu ích trong sản xuất các mô hình sinh học (các mô hình bộ phận con người như xương, răng, tai giả…). Trong ứng dụng này, mô hình điện tử của bộ phận cơ thể con người được dựng bởi các hình ảnh 3D hoặc một máy quét 3D. Sau đó, mô hình sinh học được tạo ra từng lớp từng lớp nhờ vào công nghệ in 3D. Trong ngành giải phẫu, mỗi bệnh nhân là một cá thể riêng biệt và duy nhất, mô hình sinh học 3D cho phép bác sỹ thực hiện phẫu thuật thuận lợi hơn do có được sự hiểu biết sâu hơn về cơ thể bệnh nhân và các chẩn đoán được chính xác hơn. Nhờ đó, kế hoạch phẫu thuật được chi tiết hơn, các thử nghiệm, diễn tập phẫu thuật hay hướng dẫn trong ca mổ được đảm bảo về độ chính xác và chất lượng. Công nghệ in 3D còn hỗ trợ các thử nghiệm phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sỹ. Chẳng hạn như giúp bác sĩ có thể luyện tập phẫu thuật giả lập bằng các mô nội tạng nhân tạo hoặc chế tạo các dụng cụ trong y học được sử dụng để đưa hoặc gắn vào trong cơ thể.

Ngoài ra, cũng tương tự như việc tạo mô hình sinh học, công nghệ in 3D còn được dùng để thiết kế và sản xuất các bộ phận cơ thể giúp cho phẫu thuật tái tạo và cấy ghép. Các dụng cụ y tế như máy trợ thính, khung đỡ, mặt nạ, răng giả… đều có thể sản xuất bằng công nghệ in 3D theo đúng như kích thước, hình dạng, đặc điểm của từng bệnh nhân. Một trong những ứng dụng thú vị nhất của in 3D là chế tạo mô và các cơ quan của con người, mà người ta hay gọi là In sinh học – Bioprinting. Nhờ vào công nghệ này, hệ thống tế bào mô của con người có thể được in theo lớp bằng mực sinh học – mực thu được qua xử lý đặc biệt các tế bào con người và các chất khác. Mặc dù vẫn có một số vấn đề liên quan đến sự ổn định và chức năng cấu trúc trong in sinh học, nhưng những tiến bộ đáng kể đã được ghi nhận với mô người và các cơ quan. In sinh học hứa hẹn những cơ hội quý báu cho phát triển thuốc y tế, phương pháp điều trị thử nghiệm, nghiên cứu y học, chữa lành vết thương, và cả cấy ghép. Nếu các cơ quan này được tạo ra từ các tế bào gốc của bệnh nhân, nó sẽ ít có nguy cơ bị đào thải bởi hệ miễn dịch của người đó.

Chuỗi cung ứng dược phẩm cũng được thực hiện tốt hơn với in 3D. Trong tương lai, các hiệu thuốc hoặc thậm chí cá nhân có thể tự in các loại thuốc riêng cho mình từ các hợp chất thuốc bằng cách sử dụng máy in 3D. Hệ thống yêu cầu tuỳ biến cho phép kiểm soát và phân phối thuốc chính xác. Điều này giúp giảm các chi phí liên quan và cải thiện đáng kể việc điều trị tùy theo từng cá nhân.

Trong lĩnh vực y học, công nghệ in 3D có thể giúp cứu sống một trường hợp bệnh nhân cá biệt đặc thù, mặt khác cũng có thể ứng dụng giúp nhiều bệnh nhân dần dần từng giải quyết các vấn đề sức khoẻ thông thường. Đặc biệt các ứng dụng của công nghệ này đang được phát triển mạnh trong lĩnh vực về ngoại khoa. Ví dụ như dùng để chế tạo máy trợ thính. Kể từ khi bắt đầu sử dụng máy in 3D để sản xuất máy trợ thính, hàng triệu người đã được hưởng lợi từ đó. Máy trợ thính nếu không thích hợp với tai của người sử dụng, sẽ gây áp lực lên xương tai, khiến tai bị đau và chất lượng âm thanh sẽ bị giảm theo. Nếu sử dụng máy in 3D chúng ta có thể chế tạo các sản phẩm thích hợp hơn, thoải mái hơn với từng người sử dụng. Không những thế, thời gian gần đây người ta còn đang sử dụng máy in 3D để phát triển các sản phẩm (lót) đế giày phù hợp với người gặp các vấn đề như hình dạng của xương chân, hoặc các bệnh về xương như thấp khớp.

Về những ứng dụng của sản phẩm in 3D trong lĩnh vực ngoại khoa, các sản phẩm in 3D có thể được sử dụng để cấy trực tiếp vào trong cơ thể người. Ví dụ, do hình dạng của khớp gối rất phức tạp, khi gắn khớp nhân tạo thì chỉ cần điều chỉnh rất nhỏ về góc độ cũng có thể giúp giảm đáng kể áp lực lên đầu gối bệnh nhân. Đây chính là lĩnh vực tiềm năng lớn dành cho công nghệ in 3D. In 3D cũng bắt đầu được sử dụng để sản xuất hộp sọ nhân tạo. Cụ thể khi phẫu thuật cắt bỏ u xương ác tính của bệnh nhân, người ta thay thế phần đã bị cắt bỏ bằng phần sọ nhân tạo đã được chế tạo bằng máy in 3D. Thông thường trước kia người ta dùng titan để cấy ghép, vấn đề ở chỗ khi bệnh nhân tái phát rất khó để xác định vị trí phần titan đã được sử dụng. Nếu sử dụng công nghệ in 3D có thể khắc phục nhược điểm này. In 3D còn rất hữu dụng trong giả lập mô phỏng phẫu thuật.

Trên thực tế đã có rất nhiều bộ phận cơ thể người đã được in ra thành công bằng công nghệ in 3D. Chẳng hạn, tháng 4/2013, các nhà khoa học Anh đã thành công trong việc sử dụng máy in 3D để tạo ra vật liệu giống như mô sinh học, có thể thực hiện một số chức năng giống tế bào con người. Ngay từ năm 2011, bác sĩ phẫu thuật Anthony Atala đã giới thiệu một mẫu thận nhân tạo được làm từ công nghệ in 3D.

Quy trình tạo ra các bộ phân nhân tạo không khác nhiều với quy trình sản xuất vật dụng 3D khác. Vật liệu ở đây là một hỗn hợp của collagen và các tế bào của bệnh nhân để tạo ra một cấu trúc 3D. Mặc dù chưa thực sự hoàn thiện trong việc tạo ra các bộ phận phức tạp nhung một số cấu trúc đơn giản như sụn, bàng quang đã có thể ứng dụng vào thực tế.

Công nghệ in 3D giúp tái tạo 100% mô hình quả tim người. Mô hình quả tim chế tạo bằng công nghệ in 3D đã cứu sống tính mạng của 1 bé trai 14 tháng tuổi trong 1 ca phẫu thuật tim tháng 2/2014. Đây là kết quả chế tạo của các kỹ sư tại trường khoa học kỹ thuật J.B Speed trực thuộc Đại học Louisville. Các nhà khoa học đã tạo nên 1 mô hình quả tim của trẻ em bằng công nghệ in 3D có kết cấu giống hệt tim bệnh nhân và mang đến cảm giác như thật khi bác sĩ chạm tay vào, cho phép các bác sĩ có thể lên kế hoạch tốt hơn trước khi ca phẫu thuật được chính thức thực hiện. Sử dụng các hình ảnh chụp CT quả tim của bé trai, các nhà nghiên cứu đã tạo nên 1 mô hình quả tim bằng công nghệ in 3D với kích thước lớn gấp 1,5 lần so với kích thước thật. Quả tim được chế tạo gồm 3 phần từ các sợi dẻo, mất khoảng 20 giờ để thực hiện và tốn tổng chi phí 600 USD. Bác sĩ phẫu thuật tim Erie Austin III, trưởng ê kíp phẫu thuật đã sử dụng mô hình quả tim để đưa ra giải pháp và lên kế hoạch trong tiến trình phẫu thuật. Cuối cùng, ê kíp đã có thể giải quyết được tất cả các khuyết tật chỉ trong 1 ca mổ duy nhất. Mô hình quả tim chính là giải pháp để lên kế hoạch cho 1 ca phẫu thuật tim vốn dĩ hết sức phức tạp này.

Tương tự, công nghệ in 3D cũng giúp các bác sĩ phẫu thuật ghép mặt, phẫu thuật thay xương hàm. Để tăng tỷ lệ thành công, êkíp phẫu thuật sử dụng các mô hình phần đầu giống với kích thước thật của bệnh nhân, được tạo ra nhờ ảnh chụp CT và công nghệ in 3D. Mô hình này giúp các bác sĩ nắm rõ cấu trúc giải phẫu phần mặt của bệnh nhân trước khi tiến hành phẫu thuật. Điều này cũng giúp rút ngắn thời gian phẫu thuật và có lợi cho bệnh nhân.

Công nghệ in 3D FDM còn có khả năng tạo ra mẫu vật, bộ phận thay thế cho xương người, hộp sọ trong ngành y học, những bộ phận hỗ trợ con người như tay giả, chân giả, để giúp con người phục hồi chức năng. Nhờ có tạo mẫu nhanh bằng phương pháp in 3D FDM mà việc liên kết các bộ phận hỗ trợ chức năng cho những người bị tai nạn lao động, tai nạn giao thông trở nên dễ dạng hơn, làm cho người sử dụng không bị đau khi liên kết những bộ phận hỗ trợ. Ngoài ra, công nghệ FDM còn tạo ra những chi tiết như hộp sọ, xương tay, xương chân, các bộ phận trên cơ thể con người để phục vụ cho ngành giáo dục y học.

Từ các dữ liệu CT hoặc MRI, dữ liệu sẽ được xử lí sau đó đưa vào máy tạo mẫu nhanh FDM sẽ tạo ra các phần thay thế cho con người như xương (như hộp sọ, răng) hoặc những mô hình phục vụ cho việc học tập hay giáo dục (chẳng hạn như thận), và các bộ phận khác nhau được tạo mẫu bởi những vật liệu màu sắc khác nhau, tạo những hình ảnh trực quan trong ngành giáo dục y học trong các trường y. Các mô hình cơ quan trong cơ thể con người để giúp bác sĩ chẩn đoán các trường hợp bệnh tật cũng như xác định, lựa chọn phương án điều trị có lợi nhất, đây là vấn đề được sự quan tâm rất lớn trong ngành y khoa. Đối với kỹ thuật phục hồi chức năng, công nghệ in 3D tạo ra các chi tiết giả để phục vụ cho những nạn nhân bị mất những bộ phận trong tai nạn, với thời gian phục hồi nhanh, tạo hình để liên kết các bộ phận giả và cơ thể, đảm bảo đạt mục đích chức năng mà không làm người sử dụng.

Công nghệ in 3D đã rất thành công trong lĩnh vực nha khoa và chế tạo chân tay giả. Độ chính xác cao, cũng như độ thẩm mĩ được cải thiện giúp bệnh nhân dễ dàng thích ứng sử dụng. Với công nghệ in 3D, công ty Not Impossible Labs đã lần đầu tiên tạo ra những bộ chân tay giả với chi phí chỉ khoảng 100 USD. Các nhà khoa học tại Công ty thiết kế Autodesk và Đại học Toronto đang phát triển một phần mềm cho phép quét các bộ phận của người khuyết tất, sau đó thiết kế những bộ phận thay thế sao cho phù hợp nhất với giá thành thấp. Với y học phát triển như hiện nay, những người không may mắn bị mất đi tay hoặc chân của mình đã có cơ hội hoạt động bình thường với những bộ chân tay giả có thể cử động linh hoạt. Máy in 3D có thể đáp ứng các tiêu chí trên khi sản xuất được bàn tay nhẹ, giá rẻ và có độ tương thích cao.

Một trong những lĩnh vực được chính thức áp dụng kỹ thuật in 3D là in xương người cho cấy ghép. Các nhà nghiên cứu của Đại học bang Washington (Hoa Kỳ) đã in được cấu trúc như xương, đóng vai trò như khung giàn giáo cho tế bào xương mới phát triển trước khi nó thoái hóa dần. Cấu trúc này được in bằng calcium phosphate và thử nghiệm thành công ở động vật. Các chuyên gia hy vọng phương pháp này có thể giúp chữa trị những bệnh nhân bị rạn hoặc gãy xương.

Hiện nay, các nhà khoa học đã thành công trong việc sử dụng máy in phun 3D để tái tạo các tế bào mắt, tế bào da người, in cấu trúc mô có cả mạng lưới mạch máu bên trong bằng loại “mực in sinh học” chứa các thành phần chiết xuất từ mô cơ thể.

Tuy chưa thật sự hoàn hảo, song công nghệ in 3D đang có những bước tiến dài trong lĩnh vực phẫu thuật, y học. Những ứng dụng tiên tiến trên đây cho thấy công nghệ in 3D đang giúp ích cho các bệnh nhân và mở ra xu hướng y học mới.

3/ Kiến trúc và xây dựng

Ngành xây dựng đã sẵn sàng để đón nhận một làn sóng kỹ thuật mới gọi là công nghệ In 3D vào việc thi công các công trình dân dụng từ cầu cống đến các loại kiến trúc. Nền công nghiệp hiện đại đang tiến dần đến thời kỳ công nghiệp 4.0 đặc trưng bởi sự phối hợp giữa 3 công nghệ mới – In 3D, cảm biến, và robot; và người ta mỗi ngày một khám phá thêm những ứng dụng mới từ bộ ba công nghệ này.

Dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng các máy in 3D khổng lồ. Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa và bê tông. Phương pháp in 3D trong xây dựng có thể mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt là trong chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động môi trường. Ý tưởng xây nhà trên Mặt trăng bằng in 3D đã xuất hiện tại một số trung tâm nghiên cứu trên thế giới. Công nghệ sản xuất đắp dần hay in 3D cho phép sáng tạo, chỉnh sửa một cách dễ dàng theo ý của khách hàng trong thiết kế kiến trúc và xây dựng thực tế.

Công nghệ In 3D bắt đầu vượt ra ngoài khuôn khổ của các máy in để trực tiếp thực hiện công việc tại công trường xây dựng bằng sáng kiến sử dụng robot. MX3D, một công ty công nghệ In 3D tại Hà Lan đang tiên phong trong kỹ thuật mới này bằng việc triển khai dự án in toàn bộ một cây cầu bằng thép khẩu độ 15m bắc qua một kênh đào tại thủ đô Amsterdam, tạo nên một nguyên mẫu cho phương pháp In 3D bằng các robot làm việc tự động theo phần mềm lập trình sẵn.

Trước đây để thực hiện một cây cầu tương tự người ta phải lắp ráp từng bộ phận đã đúc sẵn, bởi cho tới bấy giờ công nghệ in 3D mới chỉ sử dụng phương pháp thiêu kết từng lớp mỏng bột kim loại bằng tia laser, cho ra những cấu kiện nhỏ bên trong máy in mà cỡ lớn nhất thuộc thế hệ máy BAAM được dùng để chế tạo mẫu xe Strati. Cầu in 3D bằng robot ở Amsterdam là công trình phối hợp giữa kiến trúc sư Joris Laarman, công ty công nghệ in MX3D, công ty phần mềm Autodesk và công ty xây dựng Heijmans.

Bằng việc sử dụng các chất liệu kim loại từ sắt, thép không rỉ đến nhôm, đồng, thau, các cánh tay robot phối hợp liên tục để in ra các kết cấu phức tạp của cây cầu một cách dễ dàng, bắt đầu từ hai bờ tiến vào giữa cho đến khi chiếc cầu được nối liền. Các robot làm việc ngay trên phần kết cấu vừa hoàn tất như những người thợ chuyên nghiệp để cuối cùng cho ra cây cầu hiện đại biểu tượng cho công nghệ mới trong vòng hai tháng.

In 3D để tạo nên một cây cầu hay một công trình xây dựng không còn là câu chuyện của tiểu thuyết. Công nghệ mới đang rút ngắn thời gian, giảm bớt chi phí, tạo nên chất lượng tốt hơn, đẹp hơn, và gần như không có chất thải của vật liệu xây dựng hay giàn giáo. Điều khác biệt giữa công nghệ này với công nghệ truyền thống là vượt ra bên ngoài khuôn khổ của máy in, thay vào đó những con robot sáu trục sẽ tạo nên những khả năng không giới hạn cho ngành xây dựng.

Hà Lan cũng là nơi tiên phong triển khai công nghệ in công trình kiến trúc. Một dự án xây dựng nhà cao tầng bằng công nghệ in 3D có tên là “3D Print Canal House” thực hiện tại Amsterdam đã thực hiện tháng 4/2014. Việc chuẩn bị cho dự án cao ốc này đã bắt đầu từ 2012 bao gồm thiết kế bản vẽ, nghiên cứu chế tạo vật liệu bê-tông và sản xuất loại máy in ngoài trời. Mục đích cao nhất của nhóm nghiên cứu là tạo nên một khuôn mẫu mới cho ngành xây dựng, một thứ “công nghệ in nhà”.

Công nghệ in nhà 3D đang trở thành một cơn sốt đầu tư. Công ty xây dựng Shanka tại Thụy Điển đang phối hợp với Đại học Loughborough tại Anh để phát triển loại robot in bê-tông nhằm chuẩn bị cho dự án xây dựng phức hợp những cao ốc tại Bảo tàng Tương lai ở Dubai. Một nhóm nghiên cứu khác do Giáo sư Neri Oxman và đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm Media Lab thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cũng đang sản xuất các loại robot khác nhau nhằm đảm trách việc in 3D cho
các công trình xây dựng.

Trong khi đó Behrokh Khoshnevis tại Đại học Nam California (USC) triển khai loại robot In 3D có khả năng sử dụng các nguyên liệu ngay tại chỗ để xây dựng công trình. Tiến sĩ Khoshnevis đang làm việc với NASA để có thể đem loại robot xây dựng này lên không gian, thực hiện các công trình kiến trúc trên Mặt trăng và Sao hỏa bằng chính nguồn nước và vật liệu có sẵn tại đó, thay vì phải vận chuyển vật liệu đến từ Trái đất.

Nhiều công ty Trung Quốc đã phát triển công nghệ in 3D dưới dạng panel xây dựng phổ thông tại các công trường rồi lắp ghép chúng lại thành những ngôi nhà. Công ty Winsun đã sản xuất ra loại máy in bê – tông cao 6m để in ra những bức tường hay những kết cấu bằng loại mực bê-tông khô nhanh và đem lắp ghép thành những kiểu nhà khác nhau, có nơi cao đến 5 tầng.

Công ty trang trí thiết kế kỹ thuật Winsun (Trung Quốc) đã sử dụng công nghệ in 3D để xây những ngôi nhà. Họ sử dụng một máy in 3D khổng lồ để phun xi-măng và một loại vật liệu đã được tái chế thay thế cho các loại bê-tông thông thường dùng để xây nhà. Những ngôi nhà được xây bằng công nghệ 3D không có thiết kế quá đẹp và kích thước lớn, tuy nhiên giá thành của chúng khá rẻ. Bên cạnh đó, thời gian hoàn thành một ngôi nhà được xây bằng công nghệ in 3D rất nhanh, công ty này đã xây xong 10 ngôi nhà chỉ trong một ngày.

Tất cả vật liệu để tạo mô hình nhà ở của công ty Winsun đều được tái chế lại từ chất thải công nghệp và rất thân thiện với môi trường. Máy in 3D được sử dụng để xây dựng mười ngôi nhà này có kích thước khổng lồ với chiều dài 152m, rộng 10m và cao 6m. Chi phí xây dựng mỗi ngôi nhà vào khoảng 4.800 USD.

Một công ty kiến trúc tại Bắc Kinh, công ty HuaShang Tengda, Trung Quốc cũng mới “in” một căn biệt thự rất vững chắc bằng công nghệ in 3D. Căn biệt thự này có khả năng chịu được các trận động đất lên đến 8 độ richter, nhưng không chỉ vậy, điểm đáng nói hơn nữa là nó được xây dựng chỉ trong 45 ngày. Tác phẩm 3D này được in hoàn toàn tại nơi xây dựng, khác với một số công trình 3D khác thường in các phần khác nhau rồi ghép lại. Hơn nữa, công ty này cũng tạo ra cả một quy trình công nghệ in mới giúp tối ưu số lượng bê tông cần cho việc in. Trước khi nhấn nút bắt đầu in trên máy tính, thì một đội xây dựng sẽ lắp đặt phần khung của tòa nhà, bao gồm các thanh cốt thép và đường nước của nhà.

Để thực hiện quy trình in đặc biệt của mình, HuaShang Tengda đã phát triển 4 phần mềm chính cho việc trộn bê tông, truyền chất liệu, lắp ráp thành phần điện tử và in 3D. Một số phần của bức tường có độ dày lên đến hàng mét. Sau khi hoàn thành quá trình in thì các thợ thi công bắt đầu sơn và trang trí nội thất cho nhà.

Xét đến mặt giá cả và sự chắc chắn của nó, có lẽ công nghệ in 3D mới của HuaShang sẽ nhanh chóng nhận được sự chú ý từ các nhà xây dựng khác. Hy vọng là nó có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành xây dựng.

Với việc đón nhận làn sóng công nghệ In 3D, ngành xây dựng đang tạo nền tảng để tiến vào thời kỳ công nghiệp 4.0 với việc bổ sung cảm biến, robot và những máy In 3D thành lực lượng lao động chính bên cạnh con người. Người ta sẽ sớm thấy những robot như những cỗ máy thông minh xuất hiện trên các công trường và hoạt động độc lập nhờ liên lạc máy-nối-máy (M2M), kết nối chúng thành những đám mây dữ liệu thống nhất đồng bộ từ thiết kế, cung ứng vật tư, sản xuất vật liệu, in kết cấu và hoàn
thiện công trình.

Ngành công nghiệp xây dựng đang áp dụng các công nghệ tiên tiến, công nghệ in 3D, để có thể xây nên những công trình có cấu trúc ấn tượng, các công trình bền vững hơn nhưng thời gian thi công lại được rút ngắn mà chất lượng an toàn lao động vẫn được đảm bảo hoặc thậm chí là cải thiện. Công nghệ in 3D đang trở thành một hiện tượng phổ biến trong ngành xây dựng, được áp dụng trong nhiều dự án xây dựng trên khắp thế giới. Công nghệ in 3D đang mở ra hy vọng cho hàng trăm triệu người sống trong những khu ổ chuột trên thế giới. Với giá thành rẻ và khả năng xây cực nhanh, phương pháp xây nhà bằng công nghệ in 3D hứa hẹn sẽ thay đổi cuộc sống của nhiều người.

4/ Giáo dục

In 3D cũng có những ứng dụng thiết thực trong giáo dục, đặc biệt liên quan đến các môn học khoa học, công nghệ, kỹ thuật và kỹ năng toán học. Sinh viên có thể thiết kế và sản xuất các sản phẩm trong lớp học và có cơ hội thử nghiệm các ý tưởng, vừa học vừa làm với máy in 3D. Cách làm này làm tăng hứng khởi học tập, làm việc theo nhóm, tương tác trong lớp học cũng như hỗ trợ khả năng sáng tạo, kỹ năng máy tính, và khả năng tư duy ba chiều của sinh viên.

Nhờ vào in 3D, sinh viên được tiếp xúc sớm với khái niệm kỹ thuật trước khi được dạy cao hơn, hiểu sâu hơn nội dung của các khóa học kỹ thuật. Đối với giáo viên, các mô hình vật thể 3D tự sản xuất sẽ phù hợp hơn cho mục đích môn học, giúp hình dung được khái niệm hoặc tiến hành thí nghiệm ngay tại lớp. Ở Hoa Kỳ và Trung Quốc, các kế hoạch đưa công nghệ và máy in 3D đến các trường học, ngay cả cho trẻ em và học sinh tiểu học, đã được bắt đầu triển khai.

Các tổ chức giáo dục cũng bắt đầu nhận thức được đầy đủ các lợi ích mà công nghệ in 3D có thể mang lại. Một lý do làm chậm trễ việc ứng dụng công nghệ in 3D vào các tổ chức này hiện nay là các nhà hoạch định chính sách giáo dục chưa có kiến thức về công nghệ mới.

Mặt khác, cũng bởi vì công nghệ này khá mới mẻ nên để tạo ảnh hưởng tốt nhất thì một cách hay là đưa in 3D vào các chương trình giảng dạy. Càng ít tuổi người ta càng dễ tiếp thu các ý tưởng mới và phương pháp mới, do đó, bậc phổ thông sẽ là nơi hoàn hảo nhất để bắt đầu đào tạo kiến thức nền tảng về công nghệ in 3D.

4.1/ 5 lợi ích lớn nhất của máy in 3D trong giáo dục

1. Khơi gợi hứng thú;
2. Tạo điều kiện phát triển chương trình giáo dục STEM (Science- Technology-Engineering- Mathematics);
3. Cho phép tiếp cận với các đối tượng học tập chưa từng có trước đây;
4. Mở ra nhiều khả năng mới cho việc học tập
5. Thúc đẩy kỹ năng giải quyết vấn đề.

Sử dụng máy in 3D mang lại hiệu quả thiết thực trong giáo dục vì nó cho phép giáo viên và học sinh “khám phá chân thực các đối tượng không có sẵn”. Ví dụ như các hiện vật và hóa thạch, đây là những đối tượng có thể nhân rộng nhờ máy in 3D để được khám phá một cách chân thực hơn. In 3D đưa các vật thể từ lý thuyết ra thực tế, trở thành những thứ mà học sinh có thể nhìn thấy và chạm vào, và mở ra những “khả năng mới cho các hoạt động học tập”.

Bên cạnh đó, các lợi ích còn được nhân lên khi máy in 3D mở ra cho học sinh các trải nghiệm khác nhau trong học tập. Bản thân thiết bị này đã yêu cầu học sinh phải tìm hiểu về quá trình sản xuất đắp dần hoàn toàn mới mẻ – trong đó các vật thể được tạo ra từng lớp từng lớp, về cách thức vận hành khác nhau của các máy in 3D, cách sử dụng thiết bị, cách khắc phục sự cố và giải quyết các vấn đề. Rõ ràng máy in 3D sẽ trở thành công cụ hoàn hảo để các em trau dồi kỹ năng giải quyết vấn đề và trở nên say mê và quyết tâm hơn khi giải quyết các vấn đề.

4.1/Một số trường hợp cụ thể về lợi ích của công nghệ in 3D trong giáo dục

In 3D với môn Toán: Có rất nhiều cách để ứng dụng in 3D vào môn học này. Một trong những ứng dụng thường thấy, đó là sử dụng in 3D để giúp học sinh hình dung ra các biểu đồ và mô hình toán học. Một số học sinh cảm thấy khó khăn khi khớp các con số với sơ đồ trên giấy. Đó không phải là khiếm khuyết trong học tập của các em mà chỉ là cách mà não bộ chúng ta hoạt động. In 3D giúp học sinh hình dung dễ dàng hơn khi các em thấy các phương trình, đồ thị và mô hình này được hiện thực hóa hữu hình. Và quan trọng nhất, in 3D “thổi” vào các chủ đề khô cứng, nhàm chán một “làn gió tươi mới”.

In 3D với môn Địa lý/Địa chất: Các trường học hiện nay dường như đang bị mắc kẹt ở những phương pháp cũ, giới thiệu thông tin đến học sinh bằng cách mà nhiều thế hệ đi trước đã thực hiện. Tuy rằng công nghệ mới có thể có chút mạo hiểm, nhưng sự thay đổi là hoàn toàn cần thiết, và đưa in 3D vào học tập và giảng dạy là một trong những việc cần được chú trọng bởi in 3D cung cấp cách thức học tập mới với các môn học.

In 3D là một trong những cách hữu hiệu nhất để học sinh hiểu rõ hơn về cấu tạo địa chất trên mô hình thực tế mà không phải chỉ qua những hình ảnh 2D trên sách vở. Có nhiều bản in 3D về địa chất đã được ra đời để hỗ trợ cho việc học tập môn địa lý và địa chất. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã hạ cánh thành công một tàu con thoi trên Sao chổi nhờ vào máy in 3D để tìm vị trí hạ cánh thuận lợi nhất. Một người đàn ông đã in 3D các dữ liệu của trận động đất để so sánh trận động đất mới nhất ở California với các trận động đất trước đó. Ngoài ra, các công ty đang sử dụng in 3D để hiểu rõ hơn về nguyên nhân và tác động của kỹ thuật khai thác dầu và khí đốt. Chúng ta đang sống trong thế giới 3D, do đó được giảng dạy và học tập địa lý và địa chất bằng các công cụ ba chiều là lý tưởng và dễ hiểu nhất.

Nếu như các tác giả làm sách giáo khoa hiểu được tầm quan trọng của in 3D và muốn đưa vào trong bài học, họ có thể thêm các tài liệu in mẫu vật 3D vào mỗi phần của sách. Đây sẽ là trải nghiệm thú vị đối với các giáo viên và học sinh khi các dãy
núi, dòng sông, con kênh… hiển thị ngay trước mắt mình. Còn hơn thế nữa, trẻ em hoàn toàn có thể “thăm thú” các địa danh nổi tiếng trên thế giới ngay trong tầm tay mình mà không cần phải thực sự di chuyển.

In 3D với môn Lịch sử: Lịch sử là môn học có được nhiều lợi ích nhất từ công nghệ in 3D. Các viện bảo tàng trên khắp thế giới cũng dần nhận ra được lợi ích khi máy in 3D có thể tạo ra bản sao hoàn hảo của các hiện vật cổ. Trước đây khi bạn đến thăm một viện bảo tàng, bạn chỉ có thể “nhìn và cấm sờ tay vào hiện vật”. Nhưng từ nay, với sự hoàn thiện của máy in và quét 3D, bạn đã có thể chạm tay vào hiện vật và có rất nhiều bản sao đã có độ chính xác tới từng chi tiết. Như vậy, nếu công nghệ in
3D được đưa vào các lớp học lịch sử để in ấn các mẫu vật cổ chỉ bằng cách tải về các tài liệu STL từ máy tính, cả lớp học sẽ được tham quan một bảo tàng hiện vật trong ngay chính ngôi trường của mình. Một lần nữa, việc học tập sẽ trở nên thú vị hơn so với việc chỉ ngồi đọc từng chương trong cuốn sách giáo khoa.

In 3D với các môn Nghệ thuật: Các lớp học nghệ thuật và thiết kế chắc chắn sẽ là những nơi xuất hiện nhiều nhất các sản phẩm của in 3D. Công nghệ này đã thay đổi hoàn toàn cách giảng dạy và mở ra nhiều khả năng mới cho các giáo viên nghệ thuật. Chúng ta sẽ không phải xem các hình ảnh ba chiều trên màn hình hai chiều nữa. Các dự án toàn diện có thể được đưa vào quy mô quốc gia hoặc toàn cầu nhờ khả năng chia sẻ của thiết kế nghệ thuật 3D với mọi người, trong đó có cả các trường học trên toàn cầu. Các lớp học ở New York, Mỹ hoàn toàn có thể tham gia dự án chung cùng các lớp ở Ấn Độ và in sản phẩm 3D của họ ở cả hai nơi này. Có rất nhiều hình thức nghệ thuật độc đáo đã ra đời trong vài năm trở lại đây từ khi có ứng dụng của công nghệ in 3D.

In 3D đã cho ra đời một cách thức mới để sáng tạo các tác phẩm nghệ thuật. Khi công nghệ này có mặt trong các lớp học trên toàn cầu, các nghệ sỹ tương lai của chúng ta sẽ chính là những người mở ra được hết những tiềm năng của nó trong các lĩnh vực nghệ thuật hiện có.

4.2/ Hai mô hình đưa Công ngh ệ 3D vào giáo dục và đào tạo

Mô hình Trên xuống (Top-down): Xem xét toàn diện nền giáo dục, sau đó nghiên cứu giải pháp tổng thể và triển khai ứng dụng trên diện rộng.

Một ví dụ tiêu biểu cho mô hình có sự chỉ đạo của Nhà nước từ trên xuống là việc Chính phủ Trung Quốc mới đây quyết định lắp đặt máy in 3D trong từng trường tiểu học (khoảng 400.000 trường). Việc này sẽ cho phép mọi học sinh tiểu học tại
Trung Quốc, không kể điều kiện địa lý, được tiếp xúc trực tiếp với công nghệ in 3D và tương tác nhiều hơn với quá trình “làm thực tế” ra sản phẩm chứ không chỉ còn quan sát đơn thuần.

Chương trình này có đạt hiệu quả như mong muốn không cũng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ như: Đội ngũ giáo viên có đủ kiến thức, khả năng cũng như tâm huyết để giúp đưa công nghệ 3D vào lớp học và thích ứng quá trình/nội dung giảng dạy cho phù hợp hơn; Các trường học có đủ điều kiện vật chất để bắt đầu và duy trì lâu dài việc tích hợp máy in 3D vào lớp học.

Mô hình Dưới lên (Bottom-up): Tìm giải pháp nhỏ lẻ, sau đó nghiên cứu tổng thể và triển khai ứng dụng trên diện rộng. Song song với mô hình Top-down, mô hình chủ động từ dưới lên (Bottom-up) tỏ ra có hiệu quả hơn ở một số xã hội như Hoa Kỳ. Chúng ta có thể kể đến cuộc vận động của Tổng thống Obama hồi tháng 6/2014, kêu gọi các nguồn lực, đề án có thể giúp sinh viên tham gia nhiều hơn vào quá trình “làm thực tế”. Dòng tiền đầu tư từ các tổ chức/cá nhân bắt đầu dồn nhiều hơn vào các dự án in 3D. Dự án in 3D ở quy mô lớp/trường học nảy nở mạnh mẽ. Những yếu tố này tiếp đó lại thúc đẩy các trường học trong việc nghiên cứu cũng như tích hợp công nghệ in 3D vào giảng dạy.

Chúng ta có thể thấy rằng mô hình này có ưu điểm là có thể kích thích nguồn động lực xã hội và khiến từng bộ phận nhỏ được chuẩn bị tốt hơn cho quá trình ứng dụng công nghệ đại trà. Tuy nhiên điều đó cũng có nghĩa là có nhiều học sinh, sinh viên sẽ có điều kiện tiếp xúc với công nghệ sớm hơn các nơi khác (nếu có dự án được đầu tư); và một số đề án đạt hiệu quả đầu tư cao tại địa phương lại không hoàn toàn phù hợp cho mục đích đại trà hóa, vì vậy không thể tối ưu hóa nguồn kinh phí đầu tư.

Vậy mô hình nào thì sẽ phù hợp hơn cho việc đưa công nghệ in 3D vào trong lớp học? Để đưa ra câu trả lời phù hợp, các nhà hoạch định nên cân nhắc nhiều yếu tố về cả môi trường và con người.

Ngay tại một nước Đông Nam Á láng giềng như Malaysia, công ty sản xuất máy in 3D và trường học, cũng như chính quyền đã phối hợp để đưa máy in 3D tiếp cận thế hệ trẻ vào dịp ngày hội khoa học “Science games day” của trường quốc tế Bandar Sunway, hay chương trình nghỉ hè “School holiday program” tại trung tâm thương mại Ikano Power Centre.

5/ Sản xuất thực phẩm

Những chiếc máy in 3D ngày nay không những có thể tạo ra các sản phẩm đẹp làm vừa mắt người tiêu dùng mà còn ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực ẩm thực.

 

Máy in thực phẩm 3D nhả ra vật chất ăn được dạng lỏng thông qua các vòi phun theo từng lớp dựa trên chương trình được lập trình sẵn trên máy tính. Máy in thực phẩm 3D có thể tạo ra sô-cô-la, bánh, kẹo, mỳ, bánh pizza và các loại đồ ăn nhanh thơm ngon khác.

Truyền thông châu Âu hiện đang rất háo hức với những gì mà công nghệ in thực phẩm 3D có thể mang lại. Họ còn tổ chức các sự kiện ẩm thực trong đó có các đầu bếp tên tuổi sử dụng máy in thực phẩm 3D để phục vụ thực khách tại các nhà hàng danh tiếng của châu Âu. Truyền thông còn dự báo về việc công nghệ in 3D sẽ được ứng dụng để cung cấp thực phẩm cho các phi hành gia, khách du lịch vũ trụ và những người đang ở trong tình huống khẩn cấp.

Các khu nhà điều dưỡng tại châu Âu cũng đang cung cấp thực phẩm 3D với hình dạng giống món thạch cho những người gặp khó khăn trong việc nhai và nuốt thức ăn. Các nhà phát triển máy in thực phẩm 3D cho rằng các thiết bị của mình sẽ sớm xuất hiện trong gian bếp của mỗi gia đình, giúp họ chuẩn bị các món ăn vừa thơm ngon vừa bổ dưỡng.

Công ty Thịt và Vật nuôi Australia có kế hoạch sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất các sản phẩm thịt mới nhằm đảm bảo giữ lại được giá trị cao nhất của thịt. Do vậy, không lâu nữa chúng ta sẽ được thưởng thức những món ăn được in 3D từ thịt hoặc các thực phẩm trang trí được làm từ hoa quả và rau ép, đường hoặc sô-cô-la.

Công ty Modern Meadows đi tiên phong trong công nghệ in 3D thực phẩm đã thành công trong việc tạo ra thịt nhân tạo thông qua máy in 3D. Quá trình in thịt tương tự như các quá trinh in vật dụng 3D khác: sử dụng các tế bào sống và sau đó tiến hành phát triển thành các bắp thịt và đắp dần lên từng lớp.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Exeter (Anh) đã chế tạo ra máy in 3D cho ra các sản phẩm có chất liệu là socola. Hay như 1 cặp vợ chông người Mỹ đã sử dụng chiếc máy in 3D để thay thế lò nướng làm ra các sản phẩm có nguyên liệu từ đường.

Một trong những ứng dụng 3D đang được triển khai ở NASA và đang dần được ứng dụng thực tế là các máy in thức ăn. NASA đang đầu tư cho công ty System & Materials Research Corporation với dự án sản xuất thức ăn bằng máy in 3D. Giám đốc Anjan Contractor của System & Materials Research Corporation cho biết, dạng máy in này khá đa năng, ngoài việc sản xuất các thức ăn tổng hợp máy còn có thể làm bánh pizza. Với chiếc máy này, người dùng còn lập trình để có một món ăn phù hợp với chế độ dinh dưỡng của mình.

Không chỉ dừng lại ở việc chế tạo các đồ vật, công nghệ in 3D còn giúp tạo ra những đồ ăn đặc biệt, trong đó có các loại kẹo. Tại triển lãm điện tử tiêu dùng Las Vegas năm 2016, công ty 3D Systems đã lần đầu tiên giới thiệu một chiếc máy in 3D có thể sử dụng nguyên liệu là các loại socola, đường, vani và hương liệu để tạo ra nhiều loại kẹo có hình dạng thú vị khác nhau. Hãng Natural Machines cũng đã giới thiệu một chiếc máy in 3D được gọi là Foodini, có khả năng “in” ra mì ống. Dovetailed là một công ty khác cũng đã giới thiệu công nghệ in 3D để tạo nên những loại trái cây với hương vị vô cùng đặc biệt.

Đã có máy in 3D kem, máy in sô-cô-la 3D,.. thậm chí là in thịt 3D, đó là nền tảng để đưa công nghệ in 3D thực phẩm vào thực tiển một cách bài bản hơn. Trung tâm nghiên cứu và phát triển kỹ thuật quân đội Natick (NSRDEC- đặt tại Natick, bang Massachusetts) đang đẩy mạnh việc phát triển các công nghệ thực phẩm mới sao cho phù hợp với nhu cầu về thực phẩm trên chiến trường. Các nhà nghiên cứu trong quân đội kỳ vọng thực phẩm in 3D có thể sẽ giúp giảm bớt được chi phí khi thức ăn được in ra tương ứng với nhu cầu, sao cho thức ăn in ra đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng của người lính và sau đó là áp dụng một quá trình mới khác để ổn định thời hạn sử dụng của nó.

Theo các chuyên gia, nếu công nghệ được phổ biến rộng rãi hơn thì sẽ có nhiều người quan tâm hơn. Và họ sẽ thử nếu được đảm bảo an toàn thực phẩm. Trên cơ sở đó họ cũng sẽ hiểu hơn về cách thức chế biến và nguyên liệu được sử dụng. Tất nhiên, con đường thành công với thực phẩm 3D sẽ còn nhiều gian nan. Trước hết là phải có được niềm tin của công chúng về tính an toàn. Tiếp đến là phải cho họ thấy được thực phẩm 3D cũng rất thơm ngon cho dù trông có vẻ không được tự nhiên hoặc được làm từ các nguyên liệu bị coi là phi truyền thống. Chỉ như vậy thì thực phẩm 3D mới trở thành một phần hàng ngày trong đời sống.

6/ Trong gia đình

Với chi phí thấp và sự tiện dụng, máy in 3D sẽ dần trở thành một thiết bị trong gia đình. Máy in 3D để bàn cho phép sản xuất bất cứ thứ gì ngay trong căn nhà riêng của mình, tất nhiên là với kích thước phù hợp với máy in và các nguyên liệu có thể có. Các vật dụng yêu thích như đồ chơi, đồ dùng và đồ vật trang trí là những ứng dụng phổ biến nhất. Nhờ máy in 3D để bàn, mỗi người có thể tự thiết kế và sản xuất vật dụng theo yêu cầu riêng biệt, làm nên cá tính của bản thân. Công nghệ này cũng góp phần làm tăng khả năng và cơ hội sáng tạo của mỗi người. Và hơn thế, in 3D tại gia đình làm giảm bớt các khó khăn trong chuỗi cung ứng truyền thống. Sự xuất hiện của in 3D trực tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc sử dụng rộng rãi máy in 3D để bàn. Ở môi trường trực tuyến, mọi người có thể mua và chia sẻ các kiến thức, ý tưởng, thiết kế và các vật thể in 3D. Ví dụ như trang web Thingiverse cho phép mọi người tải về thiết kế in 3D miễn phí trong kho dữ liệu của họ, cũng như cho phép bổ sung những thiết kế riêng của mình vào kho dữ liệu đó. Khác một chút, Shapeways là một chợ in ấn trực tuyến, nơi mọi người có thể mua và bán sản phẩm in 3D, tạo cơ hội kinh doanh từ khả năng in 3D của mỗi người, cũng như tạo điều kiện cho những người không sở hữu máy in 3D có thể tận dụng nguồn tài nguyên của cộng đồng.

Các đồ điện tử, hay bất kỳ đồ vật nào xung quanh chúng ta đều có thể bị hỏng một vài bộ phận. Thông thường nếu không thể sửa chúng ta sẽ phải thay thế bằng những linh kiện mới. Tuy nhiên không phải lúc nào việc tìm kiếm và thay thế linh kiện cũng đơn giản, có thể do đồ vật đó của bạn đã quá cũ và không còn được sản xuất.

Tuy nhiên, với công nghệ in 3D mọi rắc rối này đều có thể được giải quyết dễ dàng. Giờ đây người ta có thể tải về các tập tin thiết kế của những linh kiện đó, sau đó sử dụng máy in 3D tại nhà để tạo ra một cái khác hoàn toàn mới để thay thế. Hiện nay,
trên trang web Thingiverse có sẵn những bản thiết kế của hơn 2.500 linh kiện thay thế của tất cả mọi đồ vật từ tay quay trên cửa sổ xe, đồng hồ đeo tay hay một số linh kiện điện tử khác. Việc áp dụng các phương pháp tạo mẫu nhanh in 3D FDM đã trở thành một điểm mới trong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh. Quá trình làm khuôn truyền thống rất phức tạp và tốn thời gian, tốn kém chi phí lớn, thường trở thành điểm ngăn cản chia cắt giữa việc thiết kế và sản xuất.Việc khắc phục nhược điểm thời gian và chi
phí sẽ trở thành một động lực chính cho sự phát triển của công nghệ tạo khuôn, do đó việc áp dụng công nghệ in 3D để sản xuất khuôn mẫu nhanh sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất cao.