In 3D – hay chính xác hơn về mặt học thuật là chế tạo bồi đắp (additive manufacturing – AM) – thường bị hiểu nhầm là một phát minh của thập niên 2010. Trên thực tế, nền tảng khoa học của nó đã hình thành từ đầu thập niên 1980, và lịch sử gần bốn thập kỷ của nó là câu chuyện về sự tương tác giữa sáng chế công nghệ, hệ thống bằng sáng chế (patent), phong trào mã nguồn mở và quy luật giảm giá thành. Hiểu đúng quá trình này không chỉ có ý nghĩa lịch sử, mà còn giúp lý giải vì sao in 3D lại bùng nổ vào đúng những thời điểm nhất định – và dự báo được hướng đi tiếp theo của ngành.
Giai đoạn phôi thai (1980 – 1984): Ý tưởng đi trước thời đại
Nhiều tài liệu phương Tây gán công lao khai sinh in 3D cho Charles Hull, nhưng dưới góc độ nghiên cứu, người đặt viên gạch đầu tiên có ghi chép khoa học là Tiến sĩ Hideo Kodama tại Viện Nghiên cứu Công nghiệp Thành phố Nagoya (Nhật Bản). Năm 1981, Kodama công bố công trình mô tả phương pháp chế tạo mô hình rắn ba chiều bằng cách làm đông cứng nhựa cảm quang (photopolymer) theo từng lớp dưới tác dụng của tia UV – chính là nguyên lý quang hóa nền tảng của công nghệ SLA sau này. Tuy nhiên, do không hoàn tất thủ tục bằng sáng chế đầy đủ, đóng góp của Kodama bị lịch sử ghi nhận muộn.
Đây là một bài học kinh điển về mối quan hệ giữa phát minh và thương mại hóa: ý tưởng khoa học, dù đi trước, chỉ trở thành cột mốc lịch sử khi được bảo hộ và đưa vào ứng dụng.
Giai đoạn khai sinh công nghệ (1984 – 1992): Ba trụ cột ra đời
Đây là giai đoạn quan trọng nhất, khi ba công nghệ in 3D cốt lõi được sáng chế gần như đồng thời:
Stereolithography (SLA) – Charles W. Hull: Năm 1983, Hull tạo ra chi tiết in 3D đầu tiên bằng resin quang hóa; ông nộp đơn sáng chế năm 1984 và được cấp bằng năm 1986. Chính Hull là người đặt ra thuật ngữ “stereolithography”, sáng lập công ty 3D Systems (1986) và cho ra đời máy in thương mại đầu tiên SLA-1. Quan trọng không kém, ông phát triển định dạng file STL – đến nay vẫn là chuẩn phổ biến nhất của ngành. Có thể nói Hull không chỉ phát minh một công nghệ mà còn kiến tạo cả một hệ sinh thái.
Selective Laser Sintering (SLS) – Carl Deckard và Joe Beaman: Tại Đại học Texas ở Austin, giữa thập niên 1980, Deckard (khi đó là sinh viên) cùng giáo sư Beaman phát triển công nghệ thiêu kết bột bằng laser, được cấp bằng sáng chế cuối thập niên 1980. SLS mở ra hướng đi bằng vật liệu bột, đặt nền móng cho cả in nhựa lẫn in kim loại công nghiệp sau này.
Fused Deposition Modeling (FDM) – S. Scott Crump: Năm 1988, Crump phát minh công nghệ đùn sợi nhựa nóng chảy và cùng vợ sáng lập Stratasys năm 1989. FDM về sau trở thành công nghệ phổ biến nhất thế giới nhờ tính đơn giản và chi phí thấp – nhưng nghịch lý là điều đó chỉ xảy ra hai thập kỷ sau, khi bằng sáng chế hết hạn.
Cùng thời kỳ này, tại châu Âu, EOS (Đức) được thành lập năm 1989, tiên phong về in 3D bột công nghiệp. Như vậy, đến đầu thập niên 1990, toàn bộ “bộ khung công nghệ” của in 3D hiện đại đã định hình.
Giai đoạn công nghiệp hóa (1993 – 2004): Kỷ nguyên tạo mẫu nhanh đắt đỏ
Suốt hơn một thập kỷ, in 3D tồn tại chủ yếu dưới tên gọi “tạo mẫu nhanh” (rapid prototyping) và là công cụ đắt tiền, chỉ dành cho các tập đoàn lớn trong ô tô, hàng không, y tế. Máy in có giá hàng trăm nghìn USD.
Một cột mốc học thuật đáng chú ý là năm 1993, khi các nhà nghiên cứu tại MIT (dẫn đầu là Emanuel Sachs) đăng ký sáng chế công nghệ mà họ gọi thẳng là “three-dimensional printing” (in ba chiều) – tức công nghệ phun chất kết dính lên bột (binder jetting). Chính từ đây, thuật ngữ “3D printing” ra đời và dần được dùng thay cho “rapid prototyping”. Công nghệ này được cấp phép cho Z Corporation thương mại hóa.
Đặc điểm của giai đoạn này là công nghệ trưởng thành về kỹ thuật nhưng bị “khóa” bởi bằng sáng chế và giá thành – một rào cản khiến in 3D chưa thể phổ cập.
Giai đoạn dân chủ hóa (2005 – 2012): Mã nguồn mở phá vỡ độc quyền
Đây là bước ngoặt mang tính cách mạng, và điều thú vị là nó không đến từ một tập đoàn, mà từ một dự án học thuật – dự án RepRap. Năm 2005, Tiến sĩ Adrian Bowyer tại Đại học Bath (Anh) khởi xướng RepRap (Replicating Rapid Prototyper) – một máy in 3D FDM mã nguồn mở, có khả năng tự in ra phần lớn linh kiện của chính nó. Triết lý của Bowyer mang tính không tưởng nhưng đầy tầm nhìn: biến máy in 3D thành công cụ có thể tự nhân bản và lan tỏa trong cộng đồng.
Yếu tố quyết định thứ hai mang tính pháp lý: khoảng năm 2009, các bằng sáng chế cốt lõi của FDM hết hạn. Sự kiện này – kết hợp với nền tảng RepRap – đã “mở khóa” thị trường, dẫn tới sự ra đời của hàng loạt máy in để bàn giá rẻ, tiêu biểu là MakerBot (2009). Giá máy in 3D rơi từ hàng chục nghìn USD xuống còn vài trăm USD chỉ trong vài năm.
Đây là minh chứng rõ ràng nhất cho luận điểm: sự phổ cập của một công nghệ thường không phụ thuộc vào việc nó được phát minh khi nào, mà vào thời điểm rào cản sáng chế và chi phí được gỡ bỏ.
Giai đoạn bùng nổ và phân hóa (2012 – 2019)
Thập niên 2010 chứng kiến in 3D bùng nổ theo nhiều hướng song song:
Về phía tiêu dùng: phong trào gọi vốn cộng đồng (Kickstarter) thúc đẩy làn sóng máy in giá rẻ. Formlabs ra mắt Form 1 (2012) đưa công nghệ resin SLA xuống phân khúc để bàn. Đến khoảng năm 2014, các bằng sáng chế của công nghệ SLA/quang hóa hết hạn, lặp lại đúng kịch bản của FDM: máy in resin LCD/MSLA giá rẻ bùng nổ (tiêu biểu là Anycubic Photon, 2017), đưa in chi tiết độ phân giải cao đến tay người dùng phổ thông.
Về phía công nghiệp: in 3D kim loại (SLM/DMLS) trưởng thành và đi vào sản xuất thật – biểu tượng là đầu phun nhiên liệu in 3D của động cơ máy bay. Lĩnh vực in sinh học (bioprinting) mô, và in 3D trong y tế, nha khoa cũng phát triển mạnh.
Về mặt thuật ngữ: năm 2009, tổ chức ASTM lập ủy ban F42 và chuẩn hóa thuật ngữ “additive manufacturing” – đánh dấu việc in 3D được công nhận là một phương thức sản xuất chính thức, không chỉ là công cụ tạo mẫu.
Giai đoạn trưởng thành và sản xuất (2020 – nay)
Bước sang thập niên 2020, in 3D chuyển từ “tạo mẫu” sang “sản xuất thực thụ”. Hai xu hướng nổi bật:
Thứ nhất, tốc độ và tự động hóa: các hãng như Bambu Lab (thành lập 2020) đưa máy in FDM tốc độ cao, tự động hóa và dễ dùng ra thị trường, thay đổi cục diện cạnh tranh và biến in 3D thành thiết bị “dùng được ngay”.
Thứ hai, mở rộng quy mô ứng dụng: in 3D xây dựng (construction 3D printing) tạo ra nhà ở, thậm chí cả khu dân cư và khách sạn; in 3D hàng loạt (mass production) với công nghệ như MJF; và vật liệu ngày càng đa dạng, bền vững hơn (nhựa tái chế, vật liệu kỹ thuật).
Kết luận: Những quy luật rút ra
Nhìn lại gần bốn thập kỷ, quá trình phát triển của in 3D cho thấy vài quy luật đáng suy ngẫm. Một là, phát minh và phổ cập là hai giai đoạn tách biệt – công nghệ có thể ra đời từ thập niên 1980 nhưng chỉ bùng nổ khi bằng sáng chế hết hạn (FDM ~2009, SLA ~2014). Hai là, phong trào mã nguồn mở (RepRap) đóng vai trò xúc tác mạnh không kém các tập đoàn. Ba là, mỗi lần rào cản chi phí sụp đổ, một làn sóng đổi mới và một thế hệ người dùng mới lại xuất hiện.
Từ ý tưởng của Kodama, sáng chế của Hull, Deckard và Crump, đến triết lý của Bowyer, in 3D đã đi từ phòng thí nghiệm đến nhà xưởng, từ tạo mẫu đến sản xuất, và từ công cụ của tập đoàn thành công nghệ của cộng đồng. Với đà phát triển hiện nay – nơi in 3D đang tiến vào sản xuất hàng loạt, xây dựng và vật liệu mới – nhiều khả năng chúng ta vẫn đang ở giai đoạn giữa, chứ chưa phải điểm cuối, của cuộc cách mạng chế tạo bồi đắp.
Tại Việt Nam, công nghệ in 3D tuy đi sau thế giới về thời điểm tiếp cận nhưng đang phát triển nhanh trong những năm gần đây, khi chi phí thiết bị – vật liệu ngày càng dễ tiếp cận và nhu cầu tạo mẫu, sản xuất theo yêu cầu tăng cao. Từ các trường đại học, xưởng cơ khí, doanh nghiệp sản xuất đến lĩnh vực mỹ thuật, quà tặng và trang trí, in 3D dần trở thành một công cụ quen thuộc trong chuỗi thiết kế – sản xuất số. Nắm bắt xu hướng đó, CT3D là một trong những đơn vị cung cấp dịch vụ in 3D và các giải pháp liên quan theo hướng trọn gói tại Việt Nam – bao gồm: thiết kế 3D, tạo mẫu nhanh, in 3D (FDM, SLA/DLP, SLS/MJF, in 3D kim loại), scan 3D và thiết kế ngược, làm khuôn, đúc composite – poly resin – poly stone, gia công CNC, cùng dịch vụ sơn màu và hoàn thiện sản phẩm. Với năng lực khép kín từ ý tưởng đến thành phẩm, CT3D đồng hành cùng cá nhân, doanh nghiệp và các dự án khởi nghiệp trong việc hiện thực hóa sản phẩm – góp phần đưa công nghệ chế tạo bồi đắp đến gần hơn với thực tiễn sản xuất tại Việt Nam. Liên hệ CT3D – Mr Thái 0975 008 728 hoặc in3d.edu.vn – ct3dgroup.com
Bình luận