CHLB ĐỨC – Mảnh kim loại nhẹ và thoáng khí đến mức có thể nổi trong sữa. Đó là bọt kim loại. Vật liệu cải tiến này được làm từ 90% không khí và có những đặc tính đặc biệt. Trong nhà máy, nó đảm bảo tính bền vững cao hơn và giúp cải thiện dấu chân sinh thái trong sản xuất công nghiệp.

Do các yêu cầu về quy định ngày càng tăng, các nhà cung cấp công nghệ sản xuất trên thế giới đang phải đối mặt với những vấn đề trong việc tích hợp các vật liệu hiệu quả và thân thiện với môi trường. Các giải pháp sẽ được trình bày tại EMO Hanover 2025, hội chợ thương mại hàng đầu thế giới về công nghệ sản xuất, diễn ra từ ngày 22 đến ngày 26 tháng 9/2025. Một trong những vật liệu được giới thiệu, chính là bọt kim loại và chất thay thế cho các chất per- và polyfluoroalkyl (PFAS – per- and polyfluoroalkyl substances) (1).
(1) Các chất Per- và polyfluoroalkyl là một nhóm các hợp chất hóa học organofluorine tổng hợp có nhiều nguyên tử flo gắn vào chuỗi alkyl; có 7 triệu hóa chất như vậy theo hệ thống PubChem.

Bọt kim loại giúp máy móc hiệu quả hơn, nhẹ hơn và đồng thời ổn định hơn. Tương tự như các mô hình tự nhiên của nó là xương hoặc gỗ, vật liệu có độ xốp cao với cấu trúc tế bào, có thể hấp thụ năng lượng dưới dạng dao động, va chạm hoặc âm thanh.

Phương pháp sản xuất tương tự việc nướng bánh sandwich

Bọt nhôm được sản xuất theo một quy trình về nguyên tắc tương tự như nướng bánh mì. Lấy một ít bột, chất tạo bọt và nhiệt, và thành phẩm là bọt nhôm. Tuy nhiên, việc sản xuất vật liệu công nghệ cao này có phần phức tạp hơn. Ông Carsten Lies, Trưởng phòng Kết cấu nhẹ tích hợp chức năng tại Viện Công nghệ máy công cụ và tạo hình Fraunhofer (IWU – Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology) tại thành phố Chemnitz (thuộc bang Sachsen, CHLB Đức), đã giải thích về quy trình sản xuất: “Để sản xuất bọt nhôm, cần trộn bột hợp kim nhôm và chất tạo bọt với nhau, được nén chặt trước bằng máy ép. Sau đó, chúng được nén chặt thành các sợi có thể taoh bọt bằng máy đùn. Để sản xuất ‘bánh sandwich’ bọt nhôm, các sợi nhôm có thể tạo bọt được cắt ra và đặt giữa hai tấm phủ cách xa nhau”.

Trong quá trình xử lý nhiệt tiếp theo, nhôm có thể tạo bọt sẽ nở ra nhiều lần. Bọt được tạo thành liên kết chặt chẽ với hai tấm phủ để tạo thành một bánh sandwich. Sau khi làm mát, khối bánh sandwich được cắt theo kích thước quy định. Ông Carsten Lies giải thích về đặc tính của vật liệu công nghệ cao: “Bọt kim loại, đặc biệt là bọt nhôm, chủ yếu được sử dụng làm vật liệu lõi trong các lớp vật liệu”. Các tấm phủ của chúng thường được làm bằng thép hoặc nhôm. Ông Carsten nói tiếp: “Các lớp trên cùng chịu tải, lõi ngăn không cho các tấm tiếp xúc trực tiếp”. Liên kết giữa các lớp trên cùng và lõi thường xảy ra trong liên kết dính kim loại. 

Hình ảnh mặt cắt của vật liệu có lõi bọt nhôm

Thoáng khí, nhẹ và cứng
Ông Carsten Lies đã nói rằng: “Tùy thuộc vào thiết kế của chúng, các bánh sandwich có độ cứng uốn cong rất cao. Hiệu ứng này được sử dụng để làm cho các cụm lắp ráp nhẹ hơn và do đó duy trì và cải thiện độ cứng của cụm lắp ráp”. Chúng đang thay thế các thành phần lớn của cụm lắp ráp thông thường. Theo nhà nghiên cứu, tùy thuộc vào tiêu chí tối ưu hóa, có thể đạt được mức tiết kiệm trọng lượng đáng kể với cùng độ cứng (lên đến khoảng 30%) hoặc tăng đáng kể độ cứng với trọng lượng không đổi. Những lợi thế cụ thể khi sử dụng bọt kim loại trong máy móc về mặt hiệu quả và tính bền vững, theo ông Carsten là “cải thiện khả năng giảm chấn của lõi bọt và tiết kiệm trọng lượng khi sử dụng vật liệu lõi bọt kim loại”.

Thực tế, bọt kim loại có thể dễ dàng tái chế, do đó có tác động tích cực đến dấu chân sinh thái. Ông Carsten nói tiếp: “Vì không sử dụng chất kết dính để sản xuất vật liệu lõi bọt kim loại, nên vật liệu này có thể được sử dụng trong các quy trình hiện tại để xử lý phế liệu kim loại, bao gồm thép và nhôm”.

Ông Carsten Lies

Phù hợp tùy chỉnh từ máy in 3D
Các thành phần làm bằng bọt kim loại – vật liệu xốp lai (HyPo – hybrid porous) – có thể được sản xuất bằng công nghệ in 3D. Ưu điểm của bọt kim loại được sản xuất bằng phương pháp sản xuất chồng lớp: Các buồng khí được định vị chính xác. Các thành phần được sản xuất theo cách này sẽ tối ưu hóa hơn nữa cho các ứng dụng đặc biệt, vì sự điều chỉnh theo cấp độ của cấu trúc lỗ rỗng bên trong thành phần cho phép có nhiều lựa chọn hơn so với thổi khí vào kim loại khi chúng được hình thành trong quá trình tạo bọt bằng khí. Ví dụ, các thành phần máy có thể được tạo hình trong máy in 3D với các đặc tính vừa vặn tùy chỉnh và được xác định chính xác.

Ông Thomas Hassel, Kỹ sư tiến sĩ từ Viện Khoa học Vật liệu tại Đại học Leibniz Hanover (LUH – Leibniz University Hanover), đã giải thích rằng: “Việc điều chỉnh theo cấp độ cấu trúc lỗ rỗng và các đặc tính là rất khó hoặc không thể thực hiện trong vật liệu được sản xuất theo khối, vì quy trình sản xuất hoặc quá trình xử lý tiếp theo đối với hình dạng thành phần cuối cùng không phù hợp với các yêu cầu của mục đích sử dụng”. Ông Thomas đã nhấn mạnh rằng công nghệ sản xuất chồng lớp có thể cho phép sản xuất gần như hình dạng near-net-shape (2).
(2) Near-net-shape (NNS): là thuật ngữ dùng để chỉ các quy trình chế tạo ban đầu một thành phần có kích thước và hình dạng gần với sản phẩm hoàn thiện.

Tiến sĩ Thomas Hassel

Nghiên cứu tập trung vào các ứng dụng cụ thể trong ngành công nghiệp máy công cụ và cách vật liệu cải tiến này có thể giúp tăng hiệu quả và tính bền vững trong các nhà máy. Tiến sĩ Thomas giải thích rằng, quan trọng là các thành phần của máy công cụ (bộ thay đổi dụng cụ, giá đỡ dụng cụ, giá đỡ trục chính) liên quan đến độ cứng, giảm chấn, cơ chế nhiệt đàn hồi, mất cân bằng cũng như độ cứng và chất lượng bề mặt của chúng. Thông qua việc triển khai các thành phần bằng vật liệu HyPo, ví dụ như trong máy định hình, nghiên cứu được thực hiện về những lợi thế đạt được với các thành phần được phân loại. Tiến sĩ Thomas đã nói rằng: “Hoạt động của máy móc trong quá trình gia công sẽ được phân tích, vì quá trình phay liên quan đến nhiều điều kiện tải khác nhau. Điều này giúp xác định được ảnh hưởng của các thành phần bằng vật liệu HyPo, đến các đặc tính cơ học và nhiệt của máy đồng thời cải thiện hiệu suất của máy móc”.

Thay thế cho “hóa chất vĩnh cửu”
Tính bền vững cao hơn thông qua vật liệu nhẹ là một trong nhiều biện pháp được áp dụng để cải thiện dấu chân sinh thái trong sản xuất công nghiệp. Trong khi đó, các giải pháp thân thiện với môi trường được chú ý nhiều hơn, nhằm thay thế cho “hóa chất vĩnh cửu” (3). Quan trọng nhất là các chất per- và polyfluoroalkyl (PFAS) gây hại cho môi trường, được sử dụng trong sản xuất, đặc biệt là ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ cao, hao mòn lớn hoặc điều kiện hóa chất khắc nghiệt. Các chất PFAS có trong các miếng đệm, ống hoặc phụ kiện. 

(3) “Hóa chất vĩnh cửu” (forever chemicals): là một thuật ngữ dùng để chỉ các chất per- và polyfluoroalkyl (PFAS), một nhóm các hóa chất công nghiệp rất bền vững và khó bị phân hủy trong môi trường. Chúng được mệnh danh là “hóa chất vĩnh cửu” vì chúng tồn tại trong môi trường rất lâu và có thể di chuyển qua đất, nước và không khí, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Ông Frank Schönberger

Ông Frank Schönberger, Trưởng phòng Tổng hợp và Công thức tại Viện Fraunhofer về Độ bền kết cấu và Độ tin cậy của hệ thống LBF từ thành phố Darmstadt (thuộc bang Hesse, CHLB Đức), đã nói rằng: “Không có câu trả lời chung cho câu hỏi liệu có thể thay thế các chất PFAS hay không và cần tiến hành đánh giá riêng tùy thuộc vào ứng dụng. Nói chung, không thể thay thế các chất fluoropolymer theo tỷ lệ 1:1, nhưng luôn phụ thuộc vào các yêu cầu riêng của từng ứng dụng”.

Có những trường hợp mà một fluoropolymer có thể được thay thế bằng một loại polymer hiệu suất cao khác (như PEEK, PEI hoặc PPS) tùy thuộc vào các yêu cầu, ví dụ, nếu nhiệt độ và yêu cầu về môi trường ở mức trung bình hoặc trong lĩnh vực hợp chất tribological. Ông Frank nói thêm: “Nhưng cũng có những lĩnh vực ứng dụng mà các yêu cầu phức tạp không được đáp ứng bằng bất kỳ vật liệu nào khác. Các chất fluoropolymer có khả năng chống hóa chất phổ quát ở mức độ lớn và có khả năng chịu nhiệt độ cao. Trong các ứng dụng yêu cầu điều này như trong máy bơm hoặc máy móc phải chịu được các điều kiện môi trường khác nhau, cho đến nay các chất fluoropolymer không cần phải thay thế. Trong trường hợp các ứng dụng không yêu cầu chất fluoropolymer, có thể thiết kế lại bằng vật liệu thay thế”.

Bọt kim loại từ máy in 3D
Các thành phần làm từ vật liệu xốp lai (HyPo) có thể được sản xuất bằng công nghệ in 3D. Các nhà nghiên cứu từ Hiệp hội hàn lâm Công nghệ sản xuất Đức – WGP (Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik), đã đặt ra mục tiêu thiết lập một quy trình sản xuất thích ứng và mạnh mẽ cho vật liệu HyPo vào năm 2027. Việc sản xuất bọt kim loại bằng phương pháp sản xuất chồng lớp đang được nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu hợp tác: SFB/Transregio TRR375; tên của dự án là “Multifunctional High-Performance Components made of hybrid porous materials – HyPo” (tạm dịch là ‘Các thành phần hiệu suất cao đa chức năng được tạo thành từ vật liệu xốp lai – HyPo”) với sự tham gia của Đại học Kaiserslautern-Landau – RPTU (University of Kaiserslautern-Landau RPTU) và Đại học Leibniz Hanover (Leibniz University Hanover) trong giai đoạn tài trợ đầu tiên. Hai phương pháp chính được tích hợp trong chương trình nghiên cứu. Một phương pháp dựa trên laser (DED-LB – Laser Beam Direct Energy Deposition) và một phương pháp dựa trên hồ quang (WAAM – Wire Arc Additive Manufacturing) được sử dụng để sản xuất các cấu trúc xốp phân loại và vật liệu phân loại làm từ vật liệu lai. Trọng tâm nghiên cứu là phân phối tính chất được phân loại của các vật liệu này, trưởng nhóm dự án Tiến sĩ Thomas Hassel.

Để xem các tin bài khác về “Bọt kim loại”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: EMO Hannover