Công nghệ in 3D tiềm năng và ứng dụng

Lưu đồ quy trình in 3D (nguồn ảnh VectorStock)

Công nghệ in 3D ban đầu được phát triển như một công nghệ tạo mẫu nhanh vào những năm đầu thập niên 80. Từ những năm đầu phát triển cho đến những năm đầu của thế kỷ XXI, công nghệ in 3D mới chỉ có những bước đi nhỏ, được coi là giai đoạn đặt nền móng cho sự phát triển sau này. Hòa chung với dòng chảy công nghệ của cách mạng công nghiệp lần thứ tư, công nghệ in 3D hiện đóng vai trò là một trong những công nghệ quan trọng nhất, có tác động mạnh mẽ đến mọi lĩnh vực của nền kinh tế.

Công nghệ in 3D ngày nay đang thay đổi hoàn toàn cách thức sản xuất sản phẩm truyền thống đã được hình thành trong nhiều thế kỷ bằng cách sử dụng các quy trình sản xuất như rèn, đúc, gia công cắt gọt… Công nghệ in 3D đưa ra một cách tiếp cận mới, theo đó các lớp vật liệu mỏng được đặt chồng lên nhau cho đến khi tạo thành một vật thể ba chiều hoàn chỉnh. Cách tiếp cận mới này tương thích với nhiều loại vật liệu, từ kim loại, phi kim đến tế bào sống và có tiềm năng ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp.

Hoạt động nghiên cứu và phát triển công nghệ in 3D phát triển sôi động nhất trong thập kỷ vừa qua, như được thể hiện trong Hình 2 là số lượng sáng chế và tài liệu phi sáng chế được công bố hàng năm từ năm 2011 đến năm 2020. Từ năm 2015 cho đến nay số lượng công trình nghiên cứu tăng đột biến, trong đó số lượng công bố bằng sáng chế đồng dạng tăng trung bình 22% mỗi năm và số lượng công bố tài liệu phi sáng chế tăng trung bình 10% mỗi năm.  

Hình 2. Số lượng sáng chế (đường màu đỏ) và số lượng tài liệu phi sáng chế (đường màu xanh) theo năm công bố (nguồn ảnh MAXVAL)

Hiện nay, sự quan tâm đối với công nghệ in 3D ngày càng tăng lên, tuy nhiên mức độ quan tâm và áp dụng công nghệ in 3D tại các doanh nghiệp ở mỗi quốc gia lại có sự khác nhau. Theo khảo sát của tập đoàn Ernst&Young, mức độ tiếp cận công nghệ in 3D của các doanh nghiệp châu Á đăng tăng lên nhanh chóng, đặc biệt là tại Hàn Quốc và Trung Quốc. Tại hai quốc gia này, tỷ lệ doanh nghiệp quan tâm và áp dụng công nghệ in 3D cùng là 24% trong năm năm 2016 và tăng lên 81% và 78% trong năm 2019.

Tỷ lệ doanh nghiệp trong các ngành đã áp dụng công nghệ in 3D hiện tại và tiềm năng trong tương lai (nguồn dữ liệu khảo sát 900 công ty tại một số quốc gia phát triển, tháng 4 năm 2019 bởi Ernst&Young)

Trong các lĩnh vực công nghệ cụ thể, tiềm năng ứng dụng của công nghệ in 3D trong hiện tại và tương lai cũng khác nhau. Hình 3 là tỷ lệ các doanh nghiệp đã ứng dụng công nghệ in 3D và tỷ lệ doanh nghiệp xem xét áp dụng công nghệ này trong lương lai đối với 9 lĩnh vực công nghệ, đây là kết quả khảo sát của tập đoàn Ernst&Young cho 900 công ty trên thế giới vào tháng Tư năm 2019. Có thể thấy ba lĩnh vực mà tất cả các doanh nghiệp đều đã đã áp dụng công nghệ in 3D hoặc đang xem xét áp dụng công nghệ này trong tương lai là lĩnh vực hàng không vũ trụ, lĩnh vực hàng tiêu dùng và ngành công nghiệp hóa chất/vật liệu, trong đó tỷ lệ doanh nghiệp đã áp dụng công nghệ in 3D cho ba lĩnh vực này tương ứng là 78%, 76% và 75%.

Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ

Không gian vũ trụ yêu cầu sử dụng các chi tiết có trọng lượng nhẹ, có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt và có độ chính xác rất cao. Ngành công nghiệp in 3D rất được chú trọng nghiên cứu, phát triển và đầu tư để sử dụng trong hoạt động tạo mẫu, chế tạo công cụ, phụ tùng và sản xuất các bộ phận nhẹ như những bộ phận trong hệ thống phòng không, hệ thống tên lửa, một số bộ phận và nội thất máy bay. Điển hình như hãng Boeing có hơn 70.000 chi tiết sản xuất bằng công nghệ in 3D trong các sản phẩm thương mại và sản phẩm quốc phòng của hãng. 

Hình 4: Mô phỏng máy in 3D xây nhà trên Mặt Trăng (nguồn ảnh Tech Insider)

Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA - National Aeronautics and Space Administration) cũng đã quyết định đẩy mạnh ứng dụng công nghệ in 3D trong nghiên cứu không gian với mục đích giảm tối đa chi phí. Hiện nay, NASA đang thử nghiệm công nghệ in 3D để sản xuất một số vệ tinh nhỏ có thể phóng từ trạm ISS vào không gian để thu thập và truyền dữ liệu về trái đất, NASA cũng đã đạt được một số thành tựu trong việc chế tạo linh kiện kim loại trong tên lửa bằng công nghệ in 3D. NASA cũng đang tập trung phát triển công nghệ xây nhà ngoài không gian và công nghệ in 3D được coi là một trong những giải pháp tiềm năng.

Trong lĩnh vực hàng tiêu dùng

Công nghệ in 3D cho phép các công ty sản xuất hàng tiêu dùng tăng cường khả năng cạnh tranh trong nghiên cứu phát triển, thử nghiệm và sản xuất sản phẩm. Các nhà sản xuất đồ chơi, quần áo thể thao, thiết bị văn phòng, phụ kiện, các sản phẩm chăm sóc cá nhân đã nhận thấy tiềm năng và lợi ích của công nghệ in 3D. Hãng Chanel đã phát triển chổi mascara được sản xuất bằng in 3D trên thị trường. Hãng Nike đã giới thiệu vải dệt in 3D đầu tiên trong sản phẩm giày cao cấp và giày sử dụng trong bóng đá. Hãng Luxxotica là một nhà tiên phong khác trong lĩnh vực in 3D đã sử dụng in 3D các sản phẩm kính mắt nhựa và kim loại với thương hiệu Oakley. 

Công nghệ in 3D còn được sử dụng trong sản xuất thực phẩm tiêu dùng hàng ngày. Tại triển lãm điện tử tiêu dùng Las Vegas năm 2015, công ty 3D Systems đã giới thiệu một chiếc máy in 3D có thể sử dụng nguyên liệu socola, đường, vani để tạo ra nhiều loại bánh, kẹo có hình dạng khác nhau. Gần đây, nhóm nghiên cứu đứng đầu là Đại học Osaka, Nhật Bản sử dụng tế bào gốc lấy từ bò Wagyu để in 3D loại thịt bò hảo hạng này. 

Trong công nghiệp hóa chất/vật liệu

Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D nhận được sự quan tâm rất lớn trong lĩnh vực công nghiệp hóa chất/vật liệu do khả năng tạo mẫu nhanh và in các thiết bị chức năng, sản phẩm hoặc in phần cứng trong các máy móc thiết bị của ngành công nghiệp hóa chất giúp tiết kiệm được thời gian và chi phí. 

Thị trường toàn cầu của công nghệ in 3D được định giá hơn 9 tỷ USD vào năm 2019. Năm 2020, in 3D nổi lên như một trong những công nghệ quan trọng trong cuộc chiến chống lại đại dịch COVID-19. Khả năng in nhiều loại sản phẩm như thiết bị bảo vệ cá nhân, thiết bị y tế, gạc, phụ kiện, bộ dụng cụ đào tạo và khu vực cách ly theo yêu cầu là rất quan trọng để giải quyết sự gián đoạn trong chuỗi cung ứng và tình trạng thiếu hụt trang thiết bị ở các quốc gia khác nhau. Theo ước tính, trong tương lai gần giá trị toàn ngành công nghệ in 3D có thể đạt 600 tỷ USD tương ứng với 5% giá trị của nền sản xuất toàn cầu.