 |
|
Thầy Kính và học trò trong dự án về in 4D đã đạt giải Nhì Cuộc thi KHKT cấp quốc gia dành cho học sinh trung học năm 2018 - 2019.
|
Theo thạc sĩ Lê Trung Kính - giáo viên Trường THPT Chuyên Tiền Giang, kỹ thuật in 3D có nhược điểm là thường không thể in các vật có bề mặt cong nhẵn bóng vì khi in các lớp chồng lên nhau theo đường cong dễ sai lệch. Với kỹ thuật in 4D, vật thể sẽ được in phẳng, sau đó tự uốn cong bề mặt. Ngoài ra, in 4D sử dụng các loại polime thông dụng và phối trộn chúng theo các tỉ lệ khác nhau tạo nên sự phong phú về vật liệu in.
Nhằm khắc phục những nhược điểm của máy in 3D, thạc sĩ Lê Trung Kính đã nảy sinh sáng kiến cải tiến máy in 3D; đồng thời, phối hợp các loại nhựa in 3D hiện có trên thị trường để in
vật thể theo công nghệ in 4D thông qua sử dụng đầu in E3D Cyclops để phối trộn vật liệu in thay cho sợi nhựa in thông minh (vật liệu thông minh).
Để tiết kiệm chi phí, thạc sĩ Kính cùng các cộng sự đã tận dụng máy in 3D cũ để cải tiến thành máy in 4D bằng cách lắp 2 thêm đầu đùn, thay đầu in cũ bằng đầu in 2 trong 1 (E3D Cyclops), bổ sung bàn nhiệt để tăng độ bám nhằm giúp vật thể in ra được sắc nét hơn. Ngoài ra, máy in còn được kết nối với 1 camera để quan sát và điều khiển quá trình in từ xa. Nguyên liệu sử dụng cho máy in gồm các loại nhựa: PLA, PET, TPU… được phối trộn theo tỷ lệ phù hợp.
Để máy in vận hành theo kỹ thuật in 4D, công đoạn khó nhất của nhóm nghiên cứu là phải thiết lập chương trình và nạp vào mạch Arduino để điều khiển các trục của máy in hoạt động một cách đồng bộ. Muốn vậy, nhóm nghiên cứu phải tính toán số bước của các động cơ sao cho 2 đầu đùn kéo 2 loại nhựa in và phối trộn tại đầu gia nhiệt để in ra các vật dụng theo yêu cầu. Sau khi in xong, vật thể sẽ tự biến dạng theo phương đã dự tính.
Máy in 3D cải tiến này có thể sử dụng để in nhiều vật thể, vật dụng thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau như: Dụng cụ y khoa, đồ dùng học tập, đồ chơi trẻ em… với độ bền cao dựa trên kỹ thuật phối trộn nhiều loại polyme theo tỷ lệ thích hợp. Thiết bị này có thể được ứng dụng để in tạo mẫu thử nghiệm trước khi sản xuất hàng loạt một số vật dụng, chi tiết máy; đặc biệt, tác giả đã sử dụng thiết bị này để in thử nghiệm các linh kiện chế tạo robot nhện và cánh tay robot với độ bền, độ cứng, độ dẻo, tính thẩm mỹ phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật quy định.
Có thể nói, việc cải tiến máy in 3D thành máy in 4D là ý tưởng mang tính đột phá được thực hiện đầu tiên ở Tiền Giang. Trong kỹ thuật in 4D hiện nay, nhiều quốc gia sử dụng vật liệu in thông minh được chế tạo sẵn trong khi Việt Nam chưa sản xuất được vật liệu này. Giải pháp sáng tạo trên đã mở ra hướng đi mới cho công nghệ in 4D trên cơ sở nghiên cứu tính chất lý hóa của các loại nhựa in 3D (độ dẻo, nhiệt độ nóng chảy) kết hợp sử dụng đầu in 2 trong 1 (E3D Cyclops) để phối trộn 2 loại nhựa (phù hợp) thành nguyên liệu thay thế vật liệu thông minh (giá thành rất cao); qua đó, góp phần tiết tiệm đáng kể chi phí đầu tư, chi phí vận hành, có thể được ứng dụng hiệu quả vào các lĩnh vực sản xuất và đời sống, nhất là trong lĩnh vực công nghiệp, cơ khí, điện tử…
Theo nhóm nghiên cứu, in 3D là kỹ thuật in chồng lớp từng vật liệu thành khối để tạo ra vật thể 3 chiều. In 4D cũng sử dụng kỹ thuật chồng lớp này. Tuy nhiên, vật thể được tạo ra bởi kỹ thuật in 4D gồm những mô hình thông minh có thể tự biến đổi và lắp ráp theo hình dạng đã được thiết kế. Chiều thứ tư ở đây là khả năng tự lắp ráp các chi tiết của vật thể. Ví dụ: Một khối cầu rỗng được lắp ráp bởi các mặt lục giác; trong đó, các mặt lục giác được in nằm trên một mặt phẳng nhưng khi được nhúng vào trong nước nóng, chúng tự gấp lại thành một khối cầu. Thạc sĩ Nguyễn Hữu Tuyền, Phó Trưởng khoa Điện – Điện tử, Trường Cao đẳng Tiền Giang, giám khảo chấm điểm giải pháp trên nhận xét: Cải tiến máy in 3D thành máy in 4D của thạc sĩ Lê Trung Kính là giải pháp sáng tạo được thực hiện đầu tiên trên địa bàn tỉnh Tiền Giang và có tính ứng dụng cao. Máy in 3D cải tiến bước đầu được ứng dụng để in thử nghiệm một số vật dụng cơ bản. Nếu tác giả nghiên cứu thực hiện cho nhiều vật dụng, chi tiết có giá trị và có tính đa dạng hơn thì hiệu quả mang lại sẽ thiết thực hơn xét trên góc độ kinh tế cũng như kỹ thuật.