MỸ – Một công nghệ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và làm thay đổi hoàn toàn phương thức sản xuất truyền thống, công nghệ sản xuất chồng lớp (additive manufacturing – AM) tiếp tục là động lực chính cho quá trình chế tạo mẫu thử nghiệm lẫn sản xuất tiên tiến. Dự kiến đạt tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) 20,8% vào năm 2030, phương pháp sử dụng dữ liệu thiết kế kỹ thuật số để tạo ra các vật thể ba chiều bằng cách in chồng từng lớp vật liệu (hay còn gọi là in 3D) mang lại tính linh hoạt cao cho quy trình sản xuất, tiếp tục tạo ra những tác động sâu rộng lên ngành công nghiệp. 

Dù là chế tạo đồ gá cho vật liệu composite, linh kiện máy bay thử nghiệm hay phụ tùng ô tô, những thiết kế từng được cho là phức tạp nay đã trở thành hiện thực nhờ có công nghệ in 3D ngày càng chính xác và đáng tin cậy. Tiếp theo đó, những tiến bộ trong kiểm soát chuyển động, chuyển đổi năng lượng và công nghệ robot đều đang góp phần mở rộng quy mô của công nghệ AM, cho phép tạo ra một cách nhanh chóng các vật thể phức tạp và bền bỉ thông qua các phương pháp như thiêu kết laser chọn lọc (selective laser melting), mô hình hóa lắng đọng nóng chảy (fused deposition modeling) và in phun chất liên kết (binder jetting).

Các máy in 3D để bàn cơ bản hay loại dùng động cơ bước (*) đang dần nhường chỗ cho các máy in 3D điều khiển bằng động cơ servo có phản hồi độ phân giải cao, cho phép kiểm soát tốc độ cao về vị trí, vận tốc và mô-men xoắn. Robot 6 trục với khả năng in không giới hạn ở mọi góc độ, cùng hệ thống cổng trục (gantry) vững chắc cho việc in các cấu trúc kích thước lớn, cũng đang được đưa vào để hỗ trợ quy trình này, khiến các nhà sản xuất phải nhìn nhận lại những tiềm năng mà công nghệ này mang lại.
(*) Stepper motor: động cơ bước là loại động cơ điện quay theo từng bước cố định nhỏ (ví dụ: 1,8 độ mỗi bước, tương đương 200 bước cho một vòng quay hoàn chỉnh) thay vì quay tròn liên tục như động cơ DC thông thường.

Các lợi ích chính
Đặc biệt hữu ích cho các nhà sản xuất cần các chi tiết đơn lẻ hoặc đồ gá chuyên dụng, sản xuất chồng lớp là giải pháp lý tưởng để sửa chữa linh kiện cũ, tùy biến linh kiện sản xuất hoặc tạo mẫu thử nghiệm hoặc mô hình hóa cho các chi tiết mới. Tương tự, các doanh nghiệp có thể sử dụng in 3D như một phần của quy trình thiết kế kỹ thuật, tự chế tạo đồ gá và các cấu trúc hình học độc đáo ngay tại nhà máy. Dù với mục đích nào, công nghệ AM cũng mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm:
– Sản xuất linh hoạt: Các mô hình sản xuất quy mô nhỏ phát triển mạnh nhờ vào khả năng thích ứng và tận dụng sự tự do trong thiết kế. Khả năng tích hợp hơn một trăm loại vật liệu đa dạng và tạo ra các hình dạng phong phú giúp công nghệ in 3D trở thành công cụ không thể thiếu trong các nhà máy cơ khí. Các nhà thiết kế cũng có thể giảm số lượng chi tiết đơn lẻ trong một cụm lắp ráp, loại bỏ các điểm dễ hỏng hóc nhằm tăng độ bền.
– Cắt giảm chi phí: Quy trình sản xuất chồng lớp tốn ít nhân công hơn và giảm lượng nguyên liệu thô sử dụng, giúp tiết kiệm tài nguyên và chi phí. Ví dụ, bằng cách chỉ in phần thân chính của chi tiết, quy trình này loại bỏ phần lớn phế liệu so với việc phải gia công gọt bỏ phần lớn vật liệu không cần thiết từ một phôi kim loại nguyên khối. Các hệ thống cánh tay robot sử dụng công nghệ in 3D bằng đắp hồ quang kim loại (WAAM) cũng có chi phí thấp hơn so với máy in 3D dùng bột kim loại. Trung tâm CAM (center for advanced manufacturing) thuộc trường kỹ thuật Viterbi (đại học Southern California – USC) đã và đang áp dụng kỹ thuật WAAM cho đề tài nghiên cứu này, giúp giảm thời gian và chi phí cho nhiều loại chi tiết và đồ gá khác nhau.
– Hiệu suất sản xuất: Trong bối cảnh chuỗi cung ứng gặp nhiều gián đoạn, in 3D mang lại một giải pháp thay thế tiết kiệm và kịp thời thay vì chờ nhiều tuần để các phụ tùng cần thiết được vận chuyển đến nơi sản xuất, đặc biệt là với các chi tiết tùy chỉnh số lượng đơn lẻ. Sản xuất chồng lớp cần ít thời gian dừng máy hơn, giúp các nhà sản xuất chế tạo chi tiết hoặc đồ gá theo yêu cầu, duy trì năng suất để đảm bảo tiến độ giao hàng và thời hạn dự án.

Các yếu tố đáng chú ý khác

Xem xét về vật liệu
Độ đa dạng của các vật liệu tương thích dùng trong in 3D cũng góp phần tối ưu hóa quy trình này. Từ nhựa đến thạch cao, có rất nhiều lựa chọn khả thi đáp ứng các yêu cầu ứng dụng riêng biệt. Ngay cả các vật liệu đạt chuẩn thực phẩm cũng đang góp phần thay đổi ngành công nghiệp thực phẩm. 

Phổ biến trong ứng dụng robot, quy trình công nghệ WAAM sử dụng dây hàn kim loại trong phương pháp hàn hồ quang kim loại với môi trường khí bảo vệ (GMAW) để tạo ra các cấu trúc thép định hình. Cạnh tranh với các phương pháp laser truyền thống, các kỹ thuật mới mang lại chất lượng sản phẩm cao hơn bằng cách thay thế dây hàn cho bột kim loại, giúp bề mặt sản phẩm mịn hơn và ít đường vằn hơn. Việc sử dụng các đầu in năng suất cao tiên tiến cũng tạo ra các chi tiết hoàn hảo với độ chính xác cao, không cần xử lý hay đánh bóng hoàn thiện.

Giải pháp đổi mới sáng tạo
Để hỗ trợ quy trình sản xuất chồng lớp, các nền tảng lập trình ngoại tuyến tích hợp phần mềm in 3D đóng vai trò là cầu nối giữa mô hình kỹ thuật số và mô hình thực tế được tạo ra. Được biết đến là phần mềm cắt lớp in 3D, các nền tảng này chuyển đổi mô hình kỹ thuật số thành các lệnh in, gọi là G-code. Các công ty như ADDiTEC còn đưa sản xuất chồng lớp phát triển khi cung cấp giao diện người – máy (HMI) trực quan kết hợp với robot in hiệu suất cao. Giải pháp toàn diện này mang lại khả năng độc đáo là xử lý hai loại vật liệu dây kim loại trong cùng một chi tiết, đồng thời có thể in kết hợp cả vật liệu dạng bột và dạng dây cùng một lúc, giúp quy trình trở thành lựa chọn lý tưởng để tạo ra các linh kiện phức tạp từ những vật liệu yêu cầu kỹ thuật cao.

Khả năng tiếp cận sản xuất
Khi các phương pháp sản xuất và công nghệ tiên tiến tiếp tục phát triển, kỳ vọng sẽ có thêm nhiều robot được ứng dụng vào in 3D, bởi phần lớn máy in 3D thương mại (in nhựa, kim loại và các chất liệu khác) đều có giá thành cao và chỉ gắn liền với một nhiệm vụ cố định cùng kích thước vùng in hạn chế. Robot không chỉ mang lại sự linh hoạt vượt trội về tùy chọn kích thước chi tiết, mà còn cho phép nâng cấp các đầu in khi cần thiết. Trục thứ 7 có thể bổ sung để chế tạo các chi tiết lớn. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc tạo ra dải sản phẩm rộng, như tại các cơ sở dịch vụ từ xa hay nhà máy chế tạo mẫu. Nhìn chung, việc ứng dụng sản xuất chồng lớp, đặc biệt là khi kết hợp với robot, là một lựa chọn nhanh chóng, tiết kiệm chi phí cho nhiều ứng dụng khác. Dù là một trường đại học đang in khuôn cho các lớp phủ sợi carbon hay một nhà sản xuất thiết bị lớn (như ngành khai khoáng, xây dựng, … ) cần tạo nhanh một chi tiết trong tình huống khẩn cấp để hoàn tất đơn hàng, tính linh hoạt mà in 3D mang lại đang giúp việc sản xuất các chi tiết trở nên dễ tiếp cận hơn, đảm bảo tính liền mạch cho dòng chảy sản xuất.

Để xem các tin bài khác về “In 3D”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Shop Metalworing Technology