RepRapMicron: Khi máy in 3D mã nguồn mở bước vào thế giới micromet

RepRapMicron (μRepRap) là một dự án đầy tham vọng nhằm đưa khả năng chế tạo cơ khí chính xác xuống cấp độ micromet — tức 1/1000 mm — bằng những vật liệu thông dụng và dễ kiếm. Dự án được phát triển bởi Vik Olliver, người tiên phong của phong trào RepRap, với mục tiêu cuối cùng là tạo ra một cỗ máy có thể tự nhân bản ở quy mô vi mô. Phiên bản phần cứng PIKA V0.02 hiện đã đạt định vị lặp lại khoảng 1μm và có thể in ra các chi tiết nhỏ tới mức khó tin.

![Mô hình thử nghiệm in 3D bằng μRepRap](https://private-user-images.githubusercontent.com/4644768/604790176-f85252d6-99b2-4fa2-a942-6779b82f343e.png?jwt=eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.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.68WAOJMkAptvkZCpX9CmNro4KPSFyvfBqdCMCUGeFSg

Mục tiêu: mang RepRap xuống quy mô vi mô

Linh kiện vi điện tử và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) có mặt trong hầu hết thiết bị điện tử chúng ta dùng hằng ngày. Trong khi RepRap từng đưa chế tạo 3D mở đến với đại chúng, μRepRap đặt mục tiêu mang lại năng lực tương tự ở quy mô nhỏ hơn rất nhiều.

Về bản chất, đây là một cỗ máy CNC (điều khiển số bằng máy tính) rất chính xác và nhỏ gọn. Dự án gồm hai phần song song:

• Tạo ra một hệ thống chế tạo và thao tác ở cấp micromet, được in 3D ở quy mô macro.
• Đồng thời phát triển các kỹ thuật cần thiết để tái tạo hệ thống tương tự ở chính quy mô micromet.

Từ phòng thí nghiệm đến xưởng tại gia

Sản xuất chính xác xuất hiện từ khoảng thế kỷ 18, và những linh kiện điện tử đầu tiên ở cấp micromet được chế tạo từ silicon vào thập niên 1960. Chẳng hạn, vi xử lý Intel 4004 có kích thước chi tiết là 10μm. Kể từ đó, công nghệ gần như chỉ xoay quanh silicon với các dây chuyền sản xuất ngày càng phức tạp, đắt đỏ và đôi khi nguy hiểm.

Trong sinh học và y học, thiết bị thao tác ở cấp micromet khá phổ biến, nhưng thường cồng kềnh và đắt tiền. Bước ngoặt đến từ The OpenFlexure Project, khi nhóm này tạo ra các bệ kính hiển vi in 3D có độ phân giải dưới micromet. μRepRap kế thừa ý tưởng đó để phát triển nền tảng chế tạo vi mô.

Nếu chế tạo ở cấp micromet có thể thực hiện bằng công nghệ kiểu RepRap, những lĩnh vực này sẽ tiến bộ theo cách mà chế tạo để bàn từng làm được.

Nhờ vậy, giới nghiên cứu sinh học có thể tiếp cận thiết bị rẻ và phát triển nhanh; còn lĩnh vực vi điện tử có thể thoát khỏi sự phụ thuộc vào silicon và mở đường cho những cộng đồng độc lập cùng tham gia sáng tạo.

Bệ kính hiển vi OpenFlexure - nền tảng cho độ chính xác dưới micromet

Thông số kỹ thuật ấn tượng của phiên bản PIKA

Phiên bản phần cứng PIKA V0.02 hiện là bản dựng được khuyến nghị. Theo tài liệu dự án, nó đạt định vị lặp lại khoảng 1μm và độ chính xác đáng tin cậy từ 10μm trở lên trong một khối lập phương khoảng 8mm. Bằng đầu dò mảnh được khắc chính bằng cơ chế PIKA, các giọt nhựa UV nhỏ chỉ 4μm đã được đặt xuống thành công. Với đầu dò sợi quang, các đường nhựa 9μm đã được đóng rắn.

Đặc biệt, μRepRap đã in được một mô hình thử nghiệm "Benchy" cao 0.5mm với chiều cao lớp chỉ 4μm. Một dòng chữ "Hello World" kích thước 1.3mm cũng đã được khắc cơ học trên kính trong suốt.

Yêu cầu kỹ thuật của một máy in vi mô

μRepRap thừa hưởng nhiều yêu cầu tương tự RepRap ở quy mô macro:

• Hệ thống định vị 3 trục
• Phần mềm CAD/CAM
• Cảm biến zero trục
• Hệ thống lắng đọng vật liệu
• Vật liệu xây dựng

Điểm khó là con người không thể trực tiếp thao tác các cụm lắp ráp ở cấp micromet. Do đó cần những hệ thống mới để tách chi tiết in, vận chuyển, xoay và định vị, cũng như bảo trì và vận hành.

Về trục điều khiển, các trục dùng động cơ bước NEMA17 400 bước, dù loại 200 bước cũng đủ tiến gần tới 1μm. Firmware có thể tùy chọn, nhưng các phát triển hiện tại giả định điều khiển tương tác bằng GCODE qua cổng nối tiếp, với Arduino GRBL là đủ dùng.

Đầu in: cây kim thay vì đầu đùn nhựa

Đầu dò đóng vai trò cảm biến chạm trục Z, công cụ khắc và đầu lắng đọng. Với thử nghiệm ban đầu, có thể dùng kim tiêm 0.5mm hoặc kim châm cứu 0.25mm — đủ chắc để khắc trên các bề mặt phủ lớp cản quang như bút Sharpie trên kính.

Với lắng đọng mịn, nên dùng dây kim loại được khắc điện hóa. Điểm đáng chú ý là PIKA có thể tự khắc đầu dò của chính nó. Có thể gắn thêm sợi quang để đóng rắn nhựa UV bằng cách chiếu nguồn UV mạnh qua đầu dò.

Dòng chữ "Hello, World" và hình vuông 100μm đặt trong nhựa bằng tia UV

Vật liệu in: từ nhựa làm móng đến lá vàng

Hiện tại, μRepRap thực hiện chế tạo bồi đắp bằng cách chuyển những lượng cực nhỏ gel nhựa UV "Top Coat" (loại dùng làm móng tay) bằng đầu dò. Nhựa được lấy lên nhờ mao dẫn và tạo thành các giọt khá đồng đều. Tùy chất lượng nhựa và đầu dò, có thể đạt giọt nhỏ dưới 15μm.

Các loại nhựa khác và gel ion cũng có thể dùng được. Đèn LED UV đặt trong bệ in, do bộ điều khiển vận hành, sẽ làm đông cứng nhựa. Có thể bổ sung vật liệu bám dính tốt với nhựa như lá vàng. Hạn chế chính là dung môi của vật liệu không được bay hơi trong quá trình lắng đọng.

Còn nhiều việc phía trước

μRepRap hiện là nền tảng cho phát triển phần cứng và phần mềm ở cấp micromet. Vẫn còn nhiều câu hỏi mở về loại vật liệu và cấu trúc có thể in. Nếu không thể in đủ cao hoặc có phần nhô ra, dự án sẽ cần phát triển các cấu trúc gấp, bản lề và khớp mềm để tạo hình khối 3D phức tạp.

Hy vọng của nhóm là μRepRap một ngày nào đó có thể tự chế tạo những thiết bị hữu ích, và hình thành một hệ sinh thái công cụ chế tạo ở quy mô nhỏ hơn nữa. Với cộng đồng yêu thích phần cứng mã nguồn mở tại Việt Nam — nơi phong trào RepRap và in 3D đang phát triển mạnh — đây là dự án đáng theo dõi, bởi nó cho thấy giới hạn của chế tạo tại gia vẫn còn rất xa.