Công nghệ sản xuất: Từ đẽo dần sang đắp dần
Nguyễn Ngọc Bích
 |
| minh họa: Khều. |
(TBKTSG) - Tuần báo The Economist số ngày 12-2-2011 có giới thiệu một công nghệ sản xuất mới mà họ bảo “sẽ thay đổi thế giới” gọi là “additive manufacturing”, viết tắt là AM, hay còn gọi là 3D printing. Dịch sang tiếng Việt là “công nghệ đắp dần, hay sản xuất đắp dần”.
Tờ báo trên nhận xét: “Cũng như không ai có thể tiên đoán tác động của đầu máy hơi nước năm 1750, máy in năm 1850, hoặc transistor năm 1950, thì cũng không thể tiên đoán được tác động lâu dài của công nghệ này. Nhưng nó đang đến từ từ, và có thể làm thay đổi mọi lãnh vực mà nó chạm đến”.
Trong khi chúng ta đang bàn về công nghiệp hỗ trợ, về sản xuất vật liệu mới... thì sự phát triển của công nghệ đắp dần buộc chúng ta phải hỏi: Có nên tiếp tục công việc chúng ta đang làm không? Nên đi theo hướng nào? Để có câu trả lời tôi xin trình bày sơ lược về công nghệ này và về triển vọng của nó. Phần đầu là sự trình bày của một người không chuyên, tự tìm hiểu về nguyên lý; phần sau được lấy từ bài báo nêu trên.
Sơ lược về công nghệ đắp dần
Từ trước đến nay, để chế tạo một sản phẩm nào đó người ta làm bằng cách đẽo dần. Việc này giống như ngày còn bé ta làm thủ công. Muốn nặn một con chim bằng đất sét, mình lấy một cục đất, nắn sơ nó thành hình con chim, sau đó lấy tay véo dần đất ra, cầm dao gọt dần dần cho đến khi có con chim đem nộp. Một nhà điêu khắc tạc tượng bằng thạch cao cũng làm như thế. Từ một cục to, đẽo bớt, gọt đi, cho nó nhỏ dần thành hình. Còn trong sản xuất người ta lấy một thỏi kim loại, tiện, khoan, dập... để tạo thành một sản phẩm. Đẽo dần là như thế, từ lớn làm cho nhỏ đi đến khi thành hình. Đắp dần là làm ngược lại, từ nhỏ làm cho lớn lên thành hình. Nó là công nghệ mới có gần đây và phải sử dụng một kỹ thuật khác tồn tại trước nó.
Kỹ thuật này là thiết kế đồ họa ba chiều (3D design) xuất hiện từ đầu những năm 1990. Nó là một sự phát triển cao hơn của phần mềm “computer-aided design” (CAD) ra đời vào những năm đầu 1980. Và cả hai đều dựa vào máy tính. Nhờ CAD, người ta vẽ dụng cụ, nhà cửa, bằng máy tính. Có CAD, các kiến trúc sư và họa viên không phải vẽ tay bằng compa, bút mực và thước kẻ nữa.
Lúc đầu, CAD cho ra những hình ảnh có hai chiều, giống như một bức ảnh vậy. Phát triển hơn lên thì nó tạo ra thiết kế ba chiều (3D design); tức là có chiều cao thêm vào chiều dài và rộng. Phim Avatar là một thí dụ về hình ảnh ba chiều. Để có ảnh này người ta chồng các ảnh hai chiều lên nhau; giống như ta chồng các viên gạch hoa lên nhau vậy. CAD cũng làm như thế và làm rất nhanh. Khi xếp chồng gạch lên nhau, từng viên một, ta sẽ có một cái cột gạch. Nếu lấy các cục gạch tròn có lỗ to ở giữa (hình vành khăn) và xếp chồng lên nhau ta sẽ có một cái ống! Trong chuyên môn, người ta nói cái cột gạch được “cắt lớp”, và mỗi viên là một “lát”. Vậy một cái cột gạch thì có nhiều lát.
Chẩn đoán y khoa bằng hình ảnh áp dụng cách này. Thí dụ, máy soi cắt lớp CT (computer tomography scanner) khi chiếu vào lá gan của ta nó sẽ cắt gan ra thành rất nhiều lát mỏng chiếu lên màn hình; nhờ đó bác sĩ biết bệnh trạng của lá gan. 3D design nằm trong máy tính cho ra các hình ảnh ba chiều giống như thế.
Đi lên một bước nữa, nếu có một cái máy nào đó tạo ra một món đồ theo từng lát như đã được sắp xếp trong 3D design thì nó chế tạo ra một sản phẩm theo cách đắp dần. Đó là máy chế tạo 3D printer, còn được gọi là “fabricator” hoặc “faber”. Vì có từ “print” nên trong tiếng Anh khi nói ấn nút print thì đối với máy 3D printer đó là ra lệnh cho máy chạy để làm ra sản phẩm.
Xem trong các clip ở YouTube, 3D printer có kích thước và hình dáng giống như một máy giặt 7-8 ki lô gam, hay máy photocopy lớn hoặc tủ lạnh 500 lít. Cách nó chế tạo ra một sản phẩm như sau. Các lát của sản phẩm liên quan đã định dạng theo hình, theo mẫu ba chiều trong CAD của máy tính được chuyển sang 3D printer. Trong máy bột nguyên liệu (plastic, kim loại...) được một cái vòi phun xuống một cái khay chứa, sau đó lớp bột được làm cho cứng lại, bằng cách phun lên đó một chất lỏng kết dính, hay chiếu vào tia laser hoặc tia điện tử để bột kết tủa lại theo mẫu đã thiết kế. Mỗi lát làm xong sẽ được máy hạ xuống thấp, theo một khoảng cách rất nhỏ, tính bằng phần trăm của 1 mi li mét.
Xong xuôi, máy làm lát khác chồng lên lát trước, cứ như thế hàng ngàn lát được chồng lên nhau và sản phẩm được tạo ra. Có một loại máy khác phun các lớp plastic nóng chảy vào khay để tạo nên các lát mỏng theo mẫu. Xem video, các bộ phận trong máy chạy đi, chạy lại giống như cái đèn xanh lá cây trong máy photocopy. Đồ vật làm ra có thể là một linh kiện của xe hơi, một cái chụp đèn hay một cái đàn violon.
Cái hay của công nghệ này là không cần phải có nhà xưởng. 3D printer có thể đặt trên bàn, ở một góc phòng, trong tiệm, hay ở nhà nếu làm các món nhỏ. Với các món lớn hơn, khung xe đạp, cửa xe hơi, các bộ phận cho máy bay thì mới cần nhiều chỗ hơn hay phải có các máy lớn hơn. Ở Anh, Mỹ, Úc, Israel các kỹ sư và các nhà thiết kế dùng 3D printer hơn 10 năm nay trong một số trung tâm nghiên cứu hay tại một số công ty sản xuất công cụ chuyên biệt, chủ yếu để làm ra các sản phẩm dùng làm mẫu cho nhanh và tiết kiệm tiền trước khi mua máy móc lập xưởng chế tạo hàng thật. Hiện nay, với công nghệ này, người ta chỉ mới sử dụng được một số nguyên liệu là plastic, nhựa công nghiệp và thép. Chiều dày của mỗi lát sản phẩm là 1/10 của một milimét.
Dù cho đến gần đây công nghệ AM này chưa được phổ biến nhiều; nhưng cũng giống như máy điện toán ngày xưa, vào cuối những năm 1970, AM đang mở rộng nhiều vì kỹ thuật tiến triển và chi phí đang giảm. Một “faber” cơ bản, bây giờ rẻ hơn một máy in laser năm 1985. Với máy đó, việc sản xuất sẽ chỉ còn là ấn nút “print”!
Ở ta, một chủ nhân của một công ty sản xuất cho biết việc chế tạo nguyên mẫu theo 3D design đã có khoảng sáu bảy năm nay, máy sử dụng là máy làm khuôn dùng plastic và phải mất nhiều chi phí khi làm hàng mẫu. Hàng này được dùng để xác định hiệu quả của một sản phẩm mới. Thí dụ doanh nghiệp muốn tung ra một loại bút mới, họ phải xem kiểu dáng đẹp không, viết dễ không, màu sắc hấp dẫn không... muốn vậy phải chế sản phẩm mẫu.
Nếu thử mà thấy chưa ưng ý thì họ sẽ thiết kế lại nguyên mẫu ấy trong CAD ba chiều để làm ra một mẫu khác. Khi mẫu được rồi, họ thuê vẽ bản thiết kế chi tiết để làm khuôn. Bản vẽ sau cũng đắt và khó làm hơn bản thiết kế ba chiều; vì phải chia cây bút ra những phần khác nhau để chế ra khuôn đúc. Có khuôn rồi thì mới đổ nhựa để làm ra cây bút. Như thế là có năm giai đoạn để sản xuất ra một cây bút theo cách làm hiện nay: nghĩ kiểu - vẽ đồ họa ba chiều của cây bút - làm ra nguyên mẫu - vẽ thiết kế để chế tạo khuôn - làm khuôn để sản xuất. Tùy từng loại sản phẩm đúc từ khuôn ra, có loại chỉ có một bộ phận trọn vẹn, có loại có nhiều bộ phận. Đối với loại sau doanh nghiệp phải tổ chức lắp ráp theo dây chuyền. Cách lắp ráp này đã tạo nên sản xuất hàng loạt (mass production). Tuy nhiên khách hàng thì lại đòi cái khác: không đụng hàng cơ!
(Còn tiếp một kỳ)
