MỸ – Tập đoàn GKN Aerospace và phòng thí nghiệm nghiên cứu không quân Mỹ (AFRL – U.S. Air force research laboratory) đã thúc đẩy công nghệ LMD-w, nhằm công nghiệp hóa các cấu trúc titan cho ứng dụng hàng không dân dụng và quốc phòng.

Tập đoàn GKN Aerospace và phòng thí nghiệm AFRL đã khởi động chương trình Titan-AM trị giá 8,4 triệu USD với mục tiêu công nghiệp hóa công nghệ sản xuất chồng lớp với vật liệu đầu vào dạng dây kim loại (wire-based additive manufacturing) cho các cấu trúc hàng không bằng titan có kích thước lớn. Trọng tâm của sự hợp tác này là mở rộng quy mô công nghệ chồng lớp in 3D kim loại bằng tia laser với dây kim loại (*) (LMD-w – laser metal deposition with wire) cho các ứng dụng cấu trúc ngành hàng không vũ trụ.
(*) Dây kim loại (wire): đóng vai trò là vật liệu đầu vào (vật liệu chồng lớp), tương tự như “mực in” trong máy in thông thường hoặc que hàn trong kỹ thuật hàn truyền thống.

Bối cảnh hợp tác
Tập đoàn GKN Aerospace, doanh nghiệp sản xuất linh kiện động cơ và cấu trúc hàng không hàng đầu, đang hợp tác cùng phòng thí nghiệm AFRL (cơ quan nghiên cứu và phát triển hàng đầu của không quân Mỹ) để giải quyết những hạn chế trong sản xuất các cấu trúc titan có kích thước lớn. Các phương pháp gia công cắt gọt kim loại truyền thống đối với linh kiện titan thường dẫn đến lãng phí khối lượng lớn vật liệu và thời gian gia công dài do phải gia công từ các phôi rèn nguyên khối.

Sự hợp tác này được thiết lập để kết hợp năng lực nghiên cứu của phòng thí nghiệm AFRL về vật liệu hàng không và quy chuẩn chất lượng với kinh nghiệm của tập đoàn GKN Aerospace trong sản xuất chồng lớp quy mô công nghiệp. Mục tiêu quan trọng là chuyển đổi công nghệ LMD-w từ một quy trình đang trong giai đoạn phát triển thành một phương pháp sản xuất hàng loạt, đạt chứng nhận và phù hợp cho các cấu trúc hàng không chịu lực.

Giải pháp kỹ thuật và trách nhiệm thực hiện
Chương trình Titan-AM tập trung vào công nghệ LMD-w, một quy trình chồng lớp năng lượng định hướng (directed energy deposition) (*), trong đó tia laser tạo ra vùng nóng chảy trong khi dây titan được đưa vào vùng chồng lớp. So với sản xuất chồng lớp dạng bột, công nghệ LMD-w cho phép tốc độ chồng lớp cao hơn và hiệu suất sử dụng vật liệu được cải thiện rõ, đặc biệt phù hợp cho các linh kiện kích thước lớn.
(*) Directed energy deposition: là một nhóm công nghệ sản xuất chồng lớp kim loại, trong đó vật liệu đầu vào (dưới dạng bột hoặc dây) được cấp trực tiếp vào một vùng năng lượng tập trung cao (thường là laser, chùm electron hoặc hồ quang điện) để tạo ra vũng nóng chảy và hình thành vật liệu mới ngay tại chỗ.

Chương trình tập trung giải quyết năm lĩnh vực kỹ thuật trọng tâm:
– Công nghiệp hóa quy trình: đảm bảo tính ổn định khi chồng lớp các cấu trúc titan kích thước lớn.
– Xây dựng dữ liệu vật liệu: phát triển các bộ dữ liệu vật liệu được xác thực thống kê để kiểm định cấu trúc.
– Công cụ mô phỏng: ứng dụng phần mềm mô phỏng hành vi nhiệt, kiểm soát biến dạng và tối ưu hóa cấu trúc.
– Kiểm tra không phá hủy (NDI – non-destructive inspection): phát triển các phương pháp NDI thích ứng với các dạng hình học đặc thù của sản xuất chồng lớp.
– Triển khai thử nghiệm: trên các thành phần cấu trúc hàng không tiêu biểu.

Tập đoàn GKN Aerospace chịu trách nhiệm phát triển quy trình, thử nghiệm sản xuất và tích hợp hệ thống; trong khi đó, phòng thí nghiệm AFRL hỗ trợ xác thực vật liệu, xây dựng khung mô phỏng và các phương pháp kiểm định chất lượng phù hợp với tiêu chuẩn hàng không quốc tế.

Triển khai và thực hiện
Các hoạt động của chương trình được thực hiện tại trung tâm công nghệ toàn cầu (Global technology centre) của tập đoàn GKN Aerospace ở thành phố Fort Worth (thuộc bang Texas, Mỹ). Cơ sở này cung cấp hạ tầng kỹ thuật cho sản xuất chồng lớp quy mô lớn, đồng thời tích hợp với hệ thống kỹ thuật số để giám sát và điều khiển quy trình một cách chặt chẽ.

Quy trình thực hiện bao gồm các chu kỳ xác thực lặp lại, kết hợp giữa mô phỏng máy tính và thử nghiệm vật lý. Việc tích hợp hệ thống giám sát tại chỗ (in-situ monitoring) (*) cùng kiểm tra sau sản xuất nhằm đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc và tuân thủ các yêu cầu chứng nhận hàng không phức tạp.
(*) In-situ monitoring: thay vì đợi in 3D xong chi tiết (mất vài ngày hoặc vài tuần) rồi kiểm tra lỗi, hệ thống này sẽ theo dõi và đánh giá chất lượng ngay trong từng khoảnh khắc khi tia laser đang nung chảy kim loại.

Ứng dụng và các trường hợp điển hình
Các lĩnh vực ứng dụng chính bao gồm các cấu trúc hàng không dân dụng và quốc phòng, như các thành phần chịu lực của thân máy bay, giá treo động cơ và khung cấu trúc. Công nghệ LMD-w đặc biệt phù hợp để sản xuất các chi tiết titan lớn với hình dáng gần hoàn thiện (near-net-shape), vốn là những bộ phận thường gây lãng phí lượng lớn vật liệu nếu dùng phương pháp gia công truyền thống (do tỷ lệ cao giữa khối lượng phôi ban đầu so với khối lượng chi tiết thực tế).

Kết quả và tác động dự kiến
Việc công nghiệp hóa công nghệ LMD-w được kỳ vọng sẽ giảm lãng phí vật liệu thông qua chế tạo dạng gần thành phẩm và nâng cao hiệu suất sản xuất nhờ giảm tối đa công đoạn gia công. Cách tiếp cận này còn cho phép tối ưu hóa thiết kế nhờ đặc thù của sản xuất chồng lớp, giúp gia cường cấu trúc tại những vị trí quan trọng.

Chương trình này được xây dựng dựa trên nền tảng sản xuất hàng loạt các linh kiện chồng lớp hiện nay, bao gồm các cấu trúc titan sử dụng trong động cơ phản lực cánh quạt có hộp số (geared turbofan) cho các dòng máy bay như Airbus A220 và Embraer E195-E2.

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

 

Nguồn: Metalworking International