Năm 2020, Uỷ ban Châu Âu (the European Commision) đã ban hành “Action Plan for the Circular Economy” (tạm dịch là: Kế hoạch hoạt động cho nền kinh tế tuần hoàn). Nó bao gồm một vài sáng kiến về chính sách nhằm mục đích để tăng mức độ bền vững trong mọi lĩnh vực công nghiệp. Ngày nay, giảm lượng khí thải carbon và cải thiện tính bền vững trong quy trình sản xuất cũng như trong chuỗi giá trị là mục tiêu và thách thức của hầu hết các ngành. Các mục tiêu này cần phải trải qua sự thay đổi dần dần trong các quy trình và công nghệ mới như việc giảm thiểu tác động đến môi trường và tiết kiệm năng lượng và tài nguyên thiên nhiên nhiều nhất có thể. Việc sử dụng các công nghệ chủ chốt như vậy cũng có thể giúp phát triển các sản phẩm mới, bền vững hơn.
Một trong những công nghệ chủ chốt chính là Sản xuất chồng lớp (Additive Manufacturing – AM). Sản xuất chồng lớp đem lại nhiều lợi ích về mặt sản xuất tiết kiệm chi phí và tài nguyên hơn nhờ vào những sự thay đổi mới trong các mô hình thiết kế, sản xuất và kinh doanh. Và tất nhiên, sản xuất chồng lớp cũng có thể cải thiện lượng khí thải carbon trong quá trình hoạt động. Ví dụ, trong giai đoạn sản xuất vật liệu cho sản xuất chồng lớp, việc tiêu thụ năng lượng là tương đối cao. Tuy nhiên, điều này có thể được bù đắp bằng việc tiết kiệm chi phí sử dụng sản phẩm cuối cùng, vì vậy điểm mấu chốt là in 3D trong ngành công nghiệp mang lại lợi thế về tính bền vững.
Để làm nổi bật tiềm năng của sản xuất chồng lớp, Hiệp hội Công nghiệp Máy công cụ Châu Âu và Công nghệ Sản xuất liên quan (the European Association of Machine Tool Industries and Related Manufacturing Technologies – CECIMO) đã biên soạn một tài liệu với các nghiên cứu điển hình từ khắp Châu Âu. Ông Stewart Lane, chủ tịch Ủy ban AM của CECIMO cho biết “Sản xuất chồng lớp có thể giúp đẩy nhanh quá trình chuyển đổi xanh của ngành công nghiệp. CECIMO sẽ tiếp tục ủng hộ việc ứng dụng công nghệ sản xuất chồng lớp với các nhà hoạch định chính sách, đảm bảo rằng công nghệ này đóng một vai trò trong các chính sách của hiệp hội “European Green Deal” (tạm dịch: Thỏa thuận Xanh Châu Âu).”
Ông Filip Geerts, Chủ tịch Hiệp hội CECIMO cho biết “Việc xây dựng một tập tài liệu tập trung vào công nghệ sản xuất chồng lớp nảy sinh từ cơ hội hỗ trợ các mục tiêu của Châu Âu đặt ra trong kế hoạch thực hiện nền kinh tế tuần hoàn. Về khía cạnh đó, tài liệu này cung cấp danh sách các nghiên cứu điển hình về công nghệ sản xuất chồng lớp có thể giúp các doanh nghiệp trong những lĩnh vực công nghiệp khác nhau cải thiện tính bền vững của sản phẩm.”
Bột kim loại từ sắt vụn và sản phẩm dư thừa trong sản xuất chồng lớp
Phôi và ống thủy tinh phủ bột kim loại
Trong ví dụ đầu tiên, công ty F3nice, có trụ sở chính ở Na Uy, sản xuất bột kim loại dùng cho sản xuất chồng lớp và loại bột này được làm từ 100% vật liệu tái chế. Với giải pháp này, rác thải kim loại từ ngành dầu khí (kim loại phế liệu), cũng như từ chính chuỗi giá trị sản xuất chồng lớp (bột đã qua sử dụng, bản in không đạt, v.v.), được thu gom và tái chế thành nguyên liệu mới. Những loại bột kim loại này được đưa vào nguyên liệu thô trong sản xuất chồng lớp cho các ứng dụng binder jetting – phun chất kết dính (1), powder bed fusion – PBF (2) và direct energy deposition – DED (3). Việc sử dụng bột đã được các chuyên gia độc lập thử nghiệm trên nhiều hệ thống khác nhau để đảm bảo chất lượng của sản phẩm cuối cùng. (1) Binder jetting – phun chất kết dính: là công nghệ in 3D sử dụng vật liệu in là các lớp bột được trải liên tục. Phương pháp này sử dụng chất lỏng (keo) để kết dính bột thay vì dùng nhiệt từ tia laser. Những giọt keo này liên kết các hạt bột lại với nhau để tạo ra từng lớp bồi đắp của vật thể. (2) Powder bed fusion – PBF: là phương pháp sử dụng nhiệt năng ở dạng tia điện tử hoặc tia laser nấu chảy một vùng bột kim loại để tạo thành các lớp layer. Các lớp laser sẽ được chồng lên nhau cho đến khi hoàn thành sản phẩm in 3D. (3) Direct energy deposition – DED: là một phương pháp sản xuất in 3D bằng cách sử dụng một nguồn năng lượng tập trung để nấu chảy và liên kết các vật liệu kim loại hoặc hợp kim lại với nhau.
Các loại bột khác nhau từ kim loại tái chế
Với sự giúp đỡ của Khoa Kỹ thuật Môi trường của trường Đại học Politecnico di Milano, toàn bộ quá trình sản xuất đã được thực hiện để đánh giá mức tiết kiệm CO2 trong lĩnh vực này của nền kinh tế tuần hoàn so với nền kinh tế tuyến tính tiêu chuẩn. Với kết quả này, công ty F3nice cho rằng các biện pháp khuyến khích kinh tế là một bước quan trọng để biến AM trở thành yếu tố thực sự thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn. Theo báo cáo, cũng cần có khung pháp lý để chứng nhận các ứng dụng kinh tế tuần hoàn thực sự và ngăn chặn các hoạt động greenwashing (4). (4) Greenwashing: là quá trình cung cấp thông tin sai lệch để đánh bóng thương hiệu, nó còn được coi là một tuyên bố vô căn cứ để đánh lừa người tiêu dùng tin rằng các sản phẩm của công ty là thân thiện với môi trường.
Giảm lượng rác thải đến 95%
Công ty 3D4MEC có trụ sở tại Ý, một công ty con của Đại học Genoa, đang thực hiện bài toán để sản xuất một hệ thống các khớp in 3D chỉ bao gồm một vài bộ phận: Mất khoảng 44 tiếng để tạo ra khớp cải tiến bằng máy in 3D4STEEL của công ty này. Sản xuất bằng công nghệ sản xuất chồng lớp tạo ra một bộ phận có tổng thể tích 180 cm3 (1,8 kg) với một lượng nhỏ rác thải (khoảng 110g), ít hơn 8% khối lượng nguyên liệu đầu vào. Nếu bộ phận này được sản xuất bằng quy trình phay thông thường thì khối lượng phế thải sẽ là khoảng 35 kg. Do đó, việc sản xuất sử dụng công nghệ chồng lớp cho phép tạo ra các sản phẩm có kích thước phức tạp nhưng giảm 95% lượng chất thải so với các công nghệ thông thường.
Quy trình PBF sử dụng bột có kích thước hạt từ 25 đến 70 micromet và quá trình sản xuất thường có sự hao phí nguyên liệu tối thiểu vài phần trăm. Nó xảy ra ở đường viền của vật thể khi nó tiếp xúc với tia laser và bột tan chảy. Máy in để sản xuất khớp cardan (5) có dạng hình khối với chiều dài cạnh là 110 mm. Máy in 3D4STEEL còn có thể liên tục tái chế bột ngay cả trong quá trình in. Do đó, ở đây chỉ sử dụng một lượng bột tối thiểu cần thiết cho quy trình, điều này cũng làm giảm sự tương tác của đơn vị vận hành với bột và sự phân bố của nó trong môi trường. Trong nghiên cứu, hệ thống được nạp 30 kg bột kim loại để sản xuất ở giai đoạn 1, sau đó là giai đoạn 2 và 3. Khi kết thúc quá trình sản xuất ba giai đoạn in, vẫn còn 27 kg bột cho lần sản xuất tiếp theo, có nghĩa là khoảng 98% nguyên liệu thô còn lại không sử dụng cho việc sản xuất một sản phẩm. (5) Khớp cardan: là khớp nối trục đàn hồi được dùng để nối các trục hay bị biến dạng đàn hồi, trục có sai lệch tâm, sai số chế tạo và lắp đặt.
Sản xuất với nguyên liệu thô ít hơn 30 lần
Tàu không gian chịu áp làm bằng titanium đã hoàn thiện để thám hiểm không gian
Trong ví dụ cuối cùng được trích dẫn ở đây, một nhóm công ty đến từ Vương quốc Anh bao gồm Thales Alenia Space, WAAM3D, Glenalmond Technologies và Đại học Cranfield đã sản xuất thành công bản thử nghiệm đầy đủ quy mô đầu tiên của tàu không gian chịu áp làm bằng titanium để sử dụng trong quá trình khám phá không gian vũ trụ trong tương lai. Tàu cao khoảng 1 m, nặng 8,5 kg và được làm bằng hợp kim titan Ti-6Al-4V. Nó được sản xuất bằng quy trình Wire and Arc Additive Manufacturing – WAAM (tạm dịch: Phương pháp làm nóng chảy dây kim loại bằng hồ quang điện), với tốc độ lắng đọng cao và được đặc trưng bởi quá trình sản xuất nhanh chóng. Điều này cho phép rút ngắn thời gian sản xuất và sử dụng ít nguyên liệu thô hơn 30 lần so với các quy trình thông thường. Do đó, quy trình WAAM có thể tiết kiệm hơn 200 kg Ti-6Al-4V cho mỗi sản phẩm.
Phần bình chịu áp lực được sản xuất bằng quy trình WAAM
Công ty WAAM3D đang tìm kiếm nguồn tài trợ nghiên cứu để phát triển các phương pháp cho phép sản xuất vật liệu AM cao cấp bằng cách sử dụng nhiều vật liệu tái chế. Theo quan điểm của công ty, đây là điều cần thiết để biến các giải pháp AM trở thành công cụ hỗ trợ thực sự cho nền kinh tế tuần hoàn.
Đầu in RoboWAAM có camera giám sát bể tan chảy bên cạnh
Các nghiên cứu điển hình khác về hỗ trợ nền kinh tế tuần hoàn có thể được tìm thấy trong tài liệu quảng cáo của Cecimo. Ngoài các nghiên cứu điển hình, nó còn chứa thông tin về các hiệp hội quốc gia mà các công ty AM được tổ chức trên khắp Châu Âu.
Để xem các tin bài khác về “In 3D”, hãy nhấn vào đây.
(Nguồn: EMO-Hannover)
