Công nghệ in 3D đang tạo ra tương lai như thế nào?

Trong thời đại công nghệ đang có những bước phát triển nhanh chóng như hiện nay, công nghệ in 3D nổi bật như một động lực thúc đẩy, định nghĩa lại sự sáng tạo, đổi mới và phân phối trong các ngành công nghiệp. Từ khái niệm hóa đến biểu hiện hữu hình, tác động của nó được cảm nhận sâu sắc cả trong giới học thuật và ngành công nghiệp.

Với các ứng dụng trải rộng trên nhiều lĩnh vực khác nhau như chăm sóc sức khỏe, ô tô, xây dựng, hàng không vũ trụ và hơn thế nữa, in 3D không chỉ phá vỡ các rào cản của sản xuất truyền thống. Nó đang cách mạng hóa cách chúng ta giải quyết vấn đề, thiết kế hệ thống và hình dung thế giới của chúng ta.

Bài viết này đi sâu vào tiềm năng nhiều mặt của công nghệ in 3D. Khám phá những đóng góp của công nghệ này trong nhiều lĩnh vực và cách thức công nghệ tiên tiến này được thiết lập để xác định lại tương lai của các ngành công nghiệp trên quy mô toàn cầu.

Công nghệ in 3D là gì?

Hiểu một cách đơn giản, công nghệ in 3D là quá trình tạo ra các mô hình vật lý (mẫu thực) từ mô hình số hóa (file thiết kế 3D trên máy tính) một cách tự động thông qua các máy in 3D.

Công nghệ in 3D còn được gọi “công nghệ sản xuất đắp dần”, đây là một quá trình sản xuất các chất liệu (nhựa, kim loại hay bất kỳ thứ gì khác) theo phương cách xếp từng lớp với nhau để tạo nên một vật thể 3 chiều.

In 3D đã trở thành xu hướng công nghệ quan trọng trên thế giới và là một trong những công nghệ chủ chốt của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Theo các chuyên gia, đây cũng chính là “chìa khoá” công nghệ cho tương lai mà bất cứ doanh nghiệp nào, ngành công nghiệp sản xuất nào và bất cứ quốc gia nào đều phải chú ý.

Công nghệ in 3D đang phát triển mạnh trong những lĩnh vực nào?

Hiện nay, các ứng dụng của công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển rộng rãi, nó thâm nhập sâu từ các lĩnh vực công nghiệp vĩ mô như hàng không vũ trụ đến các ngành cơ bản như thực phẩm, y tế, thời trang, đua xe thể thao, giáo dục, xây dựng, kiến trúc và nghệ thuật.

Sau đây là 5 lĩnh vực hàng đầu mà công nghệ in 3D đang được ứng dụng rộng rãi nhất:

1. Công nghiệp thực phẩm

Hãy cùng khám phá thế giới hấp dẫn của thực phẩm in 3D. Ban đầu được biết đến nhờ in bánh pizza và các loại bánh ngọt, công nghệ này hiện mở rộng sang các sản phẩm thay thế thịt và thịt được “nuôi cấy” trong phòng thí nghiệm. Công nghệ này có khả năng làm giảm bớt căng thẳng về ô nhiễm môi trường từ chăn nuôi và đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng đặc biệt.

Như đã nêu trong Báo cáo xu hướng in 3D năm 2023, những máy in 3D này chuyển đổi các thiết kế kỹ thuật số từ phần mềm thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) thành các sản phẩm thực tế có thể ăn được. Không giống như các máy in truyền thống, in 3D sử dụng nhiều loại thực phẩm mềm hoặc dạng nhão, từ mì ống và pho mát đến bột bánh quy và thịt được “nuôi cấy” trong phòng thí nghiệm.

Quá trình in thực phẩm giống như một đầu bếp làm bánh ngọt đang phủ kem một cách phức tạp cho một chiếc bánh. Cánh tay của máy in di chuyển dọc theo một đường định trước, định hình thực phẩm theo thiết kế dự kiến. Khi người vận hành tải lên thiết kế, thực phẩm, thường được chuyển thành dạng bột nhão, được làm nóng bên trong máy, không phải để nấu mà để tăng cường tính dẻo khi in.

Điều thú vị là hương vị của sản phẩm in 3D tương ứng với thành phần được nạp vào máy in. Quá trình in ấn, bao gồm cả việc tiếp xúc với nhiệt, không làm thay đổi đáng kể hương vị.

2. Lĩnh vực thời trang

Tiềm năng của công nghệ in 3D đang tạo ra làn sóng trong ngành thời trang. Các nhà thiết kế nổi tiếng như Iris van Herpen của Hà Lan đã sử dụng in 3D để may quần áo cho những người nổi tiếng tại các sự kiện lớn diễn ra trên thế giới. Hãng giày Adidas và các hãng khác đang thương mại hóa giày chạy bộ có đế giữa in 3D, trong khi Tuần lễ thời trang Paris 2023 chứng kiến ​​nhiều thương hiệu giới thiệu giày in 3D. Các nhà thiết kế đang khám phá hàng dệt may in 3D, mở đường cho sự tự do trong thiết kế, khả năng tùy chỉnh và bảo tồn vật liệu nâng cao.

Ngành công nghiệp thời trang luôn đi đầu trong đổi mới, đi sâu vào thế giới in 4D. Công nghệ này bổ sung thêm chiều thời gian cho in 3D, cho phép các vật thể tự động thay đổi hình dạng hoặc đặc tính của chúng để đáp ứng với các kích thích môi trường bên ngoài.

Những hệ thống như vậy trao quyền cho các nhà thiết kế tạo ra quần áo và phụ kiện thích ứng với điều kiện môi trường và sở thích của người mặc. Các thương hiệu như Adidas đang phát triển giày in 4D phù hợp với hình dạng bàn chân và kiểu chuyển động của người mang, tăng cường độ vừa vặn, êm ái, cách nhiệt và thoáng khí, đồng thời mang lại cho vận động viên lợi thế cạnh tranh.

Các chuyên gia trong lĩnh vực in 3D cho rằng, hàng dệt may in 4D sẽ xác định lại ranh giới về thiết kế và chức năng trong ngành thời trang. Hãy tưởng tượng một chiếc áo khoác có thể thích ứng với cái lạnh bằng cách trở nên dày hơn hoặc giày chạy bộ được thiết kế giúp tăng khả năng thoáng khí khi tiếp xúc với mồ hôi.

Những bước tiến đáng kể đã được thực hiện trong việc phát triển các vật liệu tự lắp ráp và thay đổi hình dạng, với nhiều ứng dụng tiềm năng khác nhau trong những năm gần đây. Những đổi mới mà chúng ta thấy ngày nay chỉ là sự khởi đầu. Khi công nghệ trưởng thành, phạm vi ứng dụng công nghệ in 3D chắc chắn sẽ được mở rộng.

3. Đua xe thể thao

Việc áp dụng công nghệ in 3D trong các môn đua xe thể thao như giải đua xe ô tô Công thức 1, MotoGP và NASCAR đang ngày một gia tăng, vì khi áp dụng công nghệ này việc sản xuất các chi tiết cho xe đua sẽ nhanh hơn, cho ra các sản phẩm có khối lượng nhẹ hơn và tính khí động học tốt hơn. Trong thực tế, nhà sản xuất máy in 3D Stratasys (Mỹ) đã hợp tác với NASCAR và McLaren, trong khi nhà sản xuất máy in 3D Roboze (Ý) đã hỗ trợ công ty sản xuất xe Ducati (Ý) trong mùa giải MotoGP 2022.

Chiếc ô tô được in 3D hoàn toàn đầu tiên trên thế giới được công ty sản xuất xe ô tô Local Motors (Mỹ) công bố vào năm 2014. Chiếc xe này chỉ cần 44 giờ để in và có thể đạt tốc độ lên tới 50 dặm một giờ. Tuy nhiên, in 3D trong ngành công nghiệp ô tô vượt xa những chiếc xe hoàn chỉnh, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nguyên mẫu và các bộ phận ô tô khác nhau.

Chiếc ô tô siêu sang Cadillac Celistiq 2024 do hãng xe nổi tiếng Cadillac sản xuất sắp ra mắt dự kiến ​​sẽ có hơn 100 linh kiện in 3D. Chiếc xe này được nhà sản xuất General Motors mệnh danh là “chiếc Cadillac có công nghệ tiên tiến nhất từ ​​trước đến nay” và là chiếc sở hữu nhiều bộ phận được in 3D nhất.

Các đội đua xe thể thao tích cực hợp tác với các công ty in 3D vì công nghệ này mang lại lợi thế cạnh tranh, hỗ trợ sản xuất các bộ phận nhẹ, hiệu quả về mặt khí động học để giảm thời gian vòng đua.

4. Chăm sóc sức khỏe

Trong y tế, công nghệ in 3D đã được ứng dụng để sản xuất các mô sinh học, mô hình giải phẫu bộ phận cơ thể con người (xương, răng, tai giả…). Công nghệ này cũng được sử dụng để hỗ trợ các thử nghiệm về phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y, bác sỹ.

Việc áp dụng công nghệ in 3D vào các cơ sở chăm sóc sức khỏe sẽ tạo ra sự thay đổi mô hình, mở đường cho các giải pháp y tế được cá nhân hóa, nâng cao hiệu quả và cải thiện kết quả của bệnh nhân. Một giải pháp đột phá khác là in 3D các mô sinh học (Bioprinting), với tiềm năng cách mạng hóa việc chăm sóc sức khỏe. In 3D các mô sinh học là phương pháp sử dụng in 3D và kỹ thuật giống như in 3D kết hợp các tế bào, yếu tố sinh trưởng và vật liệu sinh học để chế tạo các bộ phận y sinh mà mô phỏng tối đa các đặc điểm mô tự nhiên nhằm thúc đẩy đáng kể kỹ thuật mô, đặc biệt là trong thử nghiệm phát triển thuốc và y học tái tạo.

Mặc dù in 3D các mô sinh học chủ yếu vẫn nằm trong quá trình nghiên cứu và phát triển, nhưng người ta kỳ vọng là có thể sản xuất ra các bộ phận cơ thể người phục vụ cho việc thay thế và cấy ghép các cơ quan bị hỏng.

Ngành nha khoa cũng đang áp dụng công nghệ in 3D để chế tạo bộ phận cấy ghép, bọc răng, hàm duy trì, răng giả và mô hình giải phẫu. Phạm vi ứng dụng của in 3D mở rộng đến việc tạo ra máy trợ thính, mô hình phẫu thuật và hỗ trợ lập kế hoạch trước phẫu thuật.

Công nghệ in 3D đã tạo được tên tuổi trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, chế tạo các bộ phận giả và bộ phận cấy ghép y tế theo yêu cầu. Tuy nhiên, các kỹ thuật hiện có có thể tốn nhiều thời gian và nguồn lực.

Hiện nay, công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) đang được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như nghệ thuật, văn học và phát triển phần mềm. Các chuyên gia công nghệ kỳ vọng rằng AI cũng có thể thúc đẩy những tiến bộ trong công nghệ in 3D trong thời gian tới. Bằng cách làm cho quá trình sản xuất bồi đắp nhanh hơn, hiệu quả hơn và hy vọng là dễ tiếp cận và thân thiện hơn với người dùng, AI có thể dân chủ hóa công nghệ đến mức việc sử dụng nó trở nên đơn giản như vận hành một máy in phun văn phòng.

5. Hàng không vũ trụ

Công nghệ in 3D đã cách mạng hóa ngành hàng không vũ trụ, hỗ trợ chế tạo phụ tùng, sản xuất vệ tinh, khám phá môi trường sống trên mặt trăng và sao Hỏa cũng như chế tạo động cơ tên lửa. Đáng chú ý, Relativity Space, một công ty khởi nghiệp về vũ trụ đã đẩy nhanh quá trình sản xuất tên lửa sử dụng công nghệ này, với tên lửa hoàn toàn in 3D đầu tiên mang tên Terran 1, đã được phóng thành công vào không gian vào tháng 3 năm nay. Lần phóng này đã khẳng định khả năng tồn tại của tên lửa in 3D, báo trước một thế hệ tên lửa mới trong sản xuất hàng không vũ trụ.

Sau thành công như mong đợi của Terran 1, trọng tâm sẽ chuyển sang Terran R, một tên lửa tái sử dụng có thể nâng từ hạng trung đến hạng nặng. Kinh nghiệm và dữ liệu thu được từ chương trình của Terran 1 sẽ hỗ trợ đáng kể cho sự phát triển của Terran R.

Ngoài in 3D, công nghệ in 4D cũng đang làm thay đổi ngành công nghiệp hàng không vũ trụ. Nghiên cứu chỉ ra rằng, cánh máy bay không người lái in 4D có thể điều chỉnh theo các điều kiện bay khác nhau, giảm sức cản không khí và cải thiện hiệu suất cũng như tiết kiệm nhiên liệu. Công nghệ này cũng có thể tạo ra các cấu trúc nhẹ, linh hoạt cho vệ tinh và tàu vũ trụ, đơn giản hóa các sứ mệnh không gian và giảm chi phí.

Bên cạnh đó, những lợi thế của công nghệ in 4D cũng sẽ tạo được tiếng vang trên các lĩnh vực giao thông vận tải khác. In 4D đặc biệt phù hợp với các ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ và hàng hải, nơi có mối quan tâm sâu sắc đến việc điều khiển các cấu trúc cho mục đích khí động học.

Ý nghĩa của công nghệ in 3D trong đời sống hàng ngày

Công nghệ in 3D hứa hẹn mang lại những tác động đáng kể đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Trong lĩnh vực thực phẩm, máy in 3D gia đình có thể tạo ra những bữa ăn phù hợp với nhu cầu và sở thích ăn kiêng cụ thể. Phương pháp này không chỉ tăng thêm sự hấp dẫn về mặt thị giác mà còn thúc đẩy thói quen ăn uống lành mạnh hơn.

Trong ngành thời trang, in 3D có thể sẽ nâng cao khả năng thể hiện cá nhân thông qua quần áo được tùy chỉnh và vừa vặn hoàn hảo. Ngoài ra, quần áo và giày in 4D thích ứng với điều kiện môi trường có thể mang lại mức độ thoải mái và chức năng mới cho tủ quần áo của chúng ta.

Giao thông vận tải cũng sẽ trải qua một sự chuyển đổi. In 3D có thể tạo ra các bộ phận nhẹ, bền, giúp tạo ra các phương tiện hiệu quả hơn, an toàn hơn và được cá nhân hóa hơn. Sự đổi mới này có thể mang lại trải nghiệm lái xe được cải thiện.

Những tiến bộ trong chăm sóc sức khỏe có thể bao gồm các giải pháp y tế được cá nhân hóa như chân tay giả phù hợp, cấy ghép nha khoa và có khả năng là các mô in sinh học để cấy ghép. Những phát triển này có thể cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống và kéo dài tuổi thọ.

Công nghệ in 3D có thể giúp việc du hành vũ trụ trở nên dễ tiếp cận hơn bằng cách cho phép in các phụ tùng thay thế trong không gian và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng môi trường sống trên mặt trăng và sao Hỏa.

Tóm lại, công nghệ in 3D sẽ giúp tạo ra các cấu trúc động có thể thay đổi theo nhu cầu của chúng ta, dẫn đến các thiết bị tiết kiệm năng lượng hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn.