Công nghệ in 3D và thiết bị sản xuất vật liệu

Công nghệ in 3D ra đời vào những năm 1990, nhờ nguyên lý tạo hình từng lớp đặc biệt, có thể nhanh chóng và tích hợp tạo hình các bộ phận cấu trúc phức tạp, được coi là một công nghệ mang tính đột phá trong lĩnh vực sản xuất. In 3D được biết đến trong giới học thuật với tên gọi Sản xuất Tạo mẫu Nhanh (Rapid Prototyping Manufacturing - RPM). Phân ngành kỹ thuật của quy trình sản xuất này được gọi là Sản xuất Bổ sung (Additive Manufacturing - AM).

Nguyên lý in 3D

In công nghệ 3D là một loại công nghệ tạo mẫu nhanh, dựa trên việc sử dụng bột kim loại hoặc nhựa và các vật liệu kết dính khác, tạo ra mô hình kỹ thuật số thông qua phương pháp in từng lớp để xây dựng vật thể. Nguyên tắc cơ bản của nó là nguyên tắc tích lũy rời rạc. Đường đi, giới hạn và phương pháp tích lũy được xác định một cách rời rạc, và vật liệu được "chồng chất" lên nhau để tạo thành một thực thể ba chiều thông qua quá trình tích lũy. Đầu tiên, mô hình 3D được tạo ra trong phần mềm CAD hoặc dữ liệu bề mặt của chi tiết được đo bằng dụng cụ đo và chuyển đổi thành mô hình 3D. Thứ hai, mô hình CAD được xử lý, và mô hình CAD được chia nhỏ theo một hướng nhất định (thường là hướng Z), và các mặt phẳng được phân lớp. Sau đó, thông tin phân lớp rời rạc được kết hợp với thông tin tham số của quá trình tạo hình để chuyển đổi thành mã điều khiển số của máy tạo hình, và một chi tiết rắn 3D được tạo ra bởi hệ thống CAM chuyên dụng để điều khiển vật liệu một cách đều đặn và chính xác.

Chuẩn bị bột in 3D kim loại

Do yêu cầu khắt khe của công nghệ in 3D kim loại đối với vật liệu bột kim loại, cần phải đáp ứng các điều kiện về độ cầu tốt, phân bố kích thước hạt hẹp, hàm lượng oxy thấp và độ tinh khiết cao, do đó thiết bị sản xuất vật liệu bột cũng phải đáp ứng những yêu cầu cao hơn. Hiện nay, chủ yếu có ba loại công nghệ chuẩn bị bột in 3D kim loại: thiết bị phun bột bằng không khí thực, thiết bị phun bột bằng plasma và thiết bị tạo hạt plasma tần số vô tuyến.

Trong số đó, thiết bị sản xuất bột phun sương True Air của Hunan Tianji sử dụng công nghệ cốt lõi hiệu quả [bộ phun sương khí siêu âm ghép nối chặt chẽ], giúp cải thiện tỷ lệ đạt chất lượng bột, giảm tiêu thụ khí và giảm chi phí sản xuất. Đồng thời, nó được trang bị hệ thống phát hiện hàm lượng oxy trực tuyến để giảm sự gia tăng oxy, là một công cụ sắc bén cho việc sản xuất bột hình cầu in 3D.

In 3D, hay còn gọi là sản xuất bồi đắp, là thuật ngữ chung bao gồm một số quy trình in 3D khác nhau. Các công nghệ này hoàn toàn khác biệt, nhưng các quy trình chính thì giống nhau. Ví dụ, tất cả quá trình in 3D đều bắt đầu bằng một mô hình kỹ thuật số vì bản chất của công nghệ này là kỹ thuật số. Một bộ phận hoặc sản phẩm ban đầu được thiết kế bằng phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) hoặc tệp điện tử lấy từ thư viện linh kiện kỹ thuật số. Sau đó, tệp thiết kế được chia nhỏ thành các lát hoặc lớp để in 3D bằng phần mềm chuẩn bị bản in chuyên dụng, tạo ra các hướng dẫn đường đi cho máy in 3D. Tiếp theo, bạn sẽ tìm hiểu sự khác biệt giữa các công nghệ này và các ứng dụng điển hình của từng loại.

Các loại hình sản xuất bồi đắp có thể được phân loại theo sản phẩm mà chúng tạo ra hoặc loại vật liệu mà chúng sử dụng, với Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO) phân loại chúng thành bảy loại chung (nhưng bảy loại in 3D này cũng khó bao quát hết số lượng ngày càng tăng của các loại công nghệ phụ và công nghệ lai).

● Ép đùn vật liệu

● Trùng hợp khử

● Nung chảy bột

● Phun vật liệu

● Keo xịt

● Sự truyền năng lượng có định hướng

● Cán màng

Phân loại in 3D

Công nghệ in lập thể (Stereolithography - SLA) , còn được gọi là stereolithography, dựa trên nguyên lý quang trùng hợp của nhựa quang nhạy dạng lỏng, nghĩa là vật liệu lỏng sẽ nhanh chóng quang trùng hợp dưới tác động của tia cực tím có bước sóng và cường độ xác định, và vật liệu sẽ chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Một bể chứa chất lỏng được đổ đầy nhựa quang nhạy dạng lỏng, và chùm tia laser có thể được quét trên bề mặt chất lỏng dưới tác dụng của gương phản xạ, và chất lỏng sẽ được làm cứng tại vị trí điểm sáng được quét. Khi quá trình quét một lớp hoàn tất, vùng không được chiếu sáng vẫn là nhựa lỏng. Bệ nâng sẽ hạ bệ xuống, và lớp được hình thành sẽ được phủ một lớp nhựa, và bộ phận gạt sẽ làm phẳng bề mặt chất lỏng của nhựa có độ nhớt cao, sau đó quét lớp tiếp theo. Lớp được làm cứng mới sẽ bám chắc vào lớp trước đó, và cứ thế tiếp tục cho đến khi toàn bộ chi tiết được chế tạo xong, và thu được mô hình rắn ba chiều.

Công nghệ sản xuất vật liệu rắn nhiều lớp (LOM) là phương pháp tạo hình các bộ phận bằng cách cắt laser và liên kết các vật liệu mỏng (như giấy được phủ lớp keo ở mặt sau), còn được gọi là sản xuất vật liệu rắn nhiều lớp. Quy trình bao gồm việc dán giấy đã phủ keo nóng chảy bằng con lăn gia nhiệt, sau đó đặt laser phía trên theo dữ liệu thu được từ mô hình CAD phân lớp để cắt một lớp giấy theo đường viền bên trong và bên ngoài của bộ phận, rồi đặt một lớp giấy mới lên trên, liên kết với nhau bằng thiết bị ép nhiệt, và cắt laser lại lần nữa. Phương pháp này có đặc điểm là tốc độ tạo hình cao và chi phí thấp.

Công nghệ thiêu kết laser chọn lọc (SLS) nung nóng chọn lọc các loại bột dễ nóng chảy hoặc phi kim loại (như parafin, nhựa, cát nhựa, nylon, v.v.) từng lớp một thông qua chùm tia laser để đạt đến nhiệt độ thiêu kết và tạo hình. Khi lớp đầu tiên được thiêu kết hoàn tất, bàn làm việc sẽ hạ thấp chiều cao của lớp tiếp theo, trải đều bột của lớp tiếp theo, sau đó quét lớp thứ hai, lớp mới được thiêu kết sẽ liên kết chặt chẽ với lớp trước đó, và cứ thế tiếp diễn, cuối cùng tạo ra vật thể ba chiều được thiêu kết tương ứng với mô hình CAD.

Nguyên lý cơ bản của FDM là điều khiển đầu phun nhiệt di chuyển theo mặt phẳng XY và hướng Z dựa trên thông tin về hình dạng mặt cắt ngang. Vật liệu dạng dây (như dây nhựa, dây parafin, v.v.) được đưa đến đầu phun bằng cơ chế cấp dây, được nung nóng và tan chảy trong đầu phun, sau đó được phủ chọn lọc trên bàn làm việc, làm nguội nhanh để tạo thành một lớp có hình dạng mặt cắt ngang, các lớp chồng lên nhau và cuối cùng trở thành một nguyên mẫu nhanh. Nguyên lý của quá trình tạo hình này có thể được sử dụng để làm khuôn sáp cho đúc chính xác và khuôn âm cho đúc. Đây là một cách hiệu quả để phát triển sản xuất cơ khí vi mô.

Cơ hội và thách thức

Hiện nay, ngành công nghiệp in 3D đang tập trung vào các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, ô tô, thiết bị y tế và các lĩnh vực khác, quy mô không ngừng mở rộng và trình độ kỹ thuật không ngừng được nâng cao. Sự hỗ trợ chính sách liên quan, bao gồm một lượng lớn đầu tư nghiên cứu và phát triển, các khoản tài trợ đổi mới và các chính sách ưu đãi, đã thúc đẩy sự phát triển của ngành. Đồng thời, ngành công nghiệp in 3D cũng đang phải đối mặt với nhiều thách thức, chẳng hạn như hạn chế về vật liệu, cơ khí và chi phí. Ngành công nghiệp sản xuất bồi đắp đang ở giao điểm của đổi mới và chuyển đổi kinh tế, và tương lai đầy rẫy những thách thức và cơ hội.