Tổng quan về in 3D bằng vật liệu kim loại: Công nghệ và Các ứng dụng

WMT

Active Member
Moderator
1 Giới thiệu
Chế tạo bằng thêm vật liệu theo lớp (Additive manufacturing – AM, còn được biết đến như in 3D) đã phát triển được hơn 25 năm. Kỹ thuật AM lần đầu tiên xuất hiện vào những năm 1980, với công nghệ Sterolithography – là một quá trình làm đông đặc các lớp mỏng polyme được hóa lỏng bằng laser. Ban đầu công nghệ AM được dùng với mục đích tạo mẫu nhanh. Ngày nay, AM được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ về công nghệ và vật liệu sử dụng, do vậy AM không chỉ đơn thuần ứng dụng trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh mà còn cho phép chế tạo các chi tiết với mục đích sử dụng trực tiếp. Công nghệ AM đã được sử dụng và thương mại trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp chế tạo ô tô, hàng không vũ trụ. Theo báo cáo của tổ chức Wohlers trong năm 2014, công nghệ AM được cung cấp trên thị trường thế giới tăng 38,9% từ năm 2013, và đạt doanh thu 2.015 tỷ đô la . Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ AM hiện nay đang chứng tỏ là một bước đột phá trong ngành công nghệ chế tạo, đồng thời mở ra các hướng thiết kế tối ưu sản phẩm.
AM đã và đang thu hút sự đầu tư lớn cho nghiên cứu từ các viện nghiên cứu và trường đại học, cũng như các tập đoàn công nghiệp trên toàn thế giới. Đi đầu nghiên cứu trong lĩnh vực này phải kể đến các nước có nền khoa học và công nghệ tiên tiến, như Mỹ, Đức, Pháp, Nhật và Trung Quốc. Có rất nhiều các công bố khoa học trên các tạp chí quốc tế về công nghệ AM. Các công bố khoa học tập trung vào các hướng như: nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng chi tiết (cấu trúc tế vi của vật liệu, cơ tính vật liệu, chất lượng bề mặt chi tiết …); nghiên cứu các chiến lược phát triển sản phẩm, thiết kế tối ưu sản phẩm; Mô phỏng quá trình AM; nghiên cứu phát triển các vật liệu kim loại, hợp kim dùng trong công nghệ AM. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu tập trung vào vai trò của công nghệ AM trong hệ thống phát triển bền vững - nghiên cứu ảnh hưởng đến môi trường của quá trình chế tạo sản phẩm bởi AM.
Trong bài, các tác giả tập trung giới thiệu các công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại. Mục đích nhằm cung cấp một cái nhìn tổng thể và những kiến thức cơ bản về công nghệ này.
2 Công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại
2.1 Phân loại công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại

Trên thị trường hiện này có rất nhiều công nghệ AM được cung cấp bởi các công ty khác nhau, như hãng EOS của Đức, Arcam của Thụy Điển, 3D systems và Optomec của Mỹ. Công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại có thể được phân chia thành nhiều nhóm khác nhau, dựa theo phương pháp chế tạo hoặc dựa vào nguồn năng lượng sử dụng để nung chảy vật liệu kim loại (năng lượng chùm laser hay năng lượng chùm electron), hoặc dựa vào trạng thái vật liệu và phương pháp cấp vật liệu (dạng bột kim loại hay sợi kim loại). Trong bài báo này, các công nghệ AM dùng để chế tạo các chi tiết kim loại được phân chia thành hai nhóm dựa trên phương thức chế tạo chi tiết: “Powder Bed Fusion (PBF)” – chế tạo chi tiết trên “giường” bột bằng cách làm nóng chảy bột kim loại từng lớp một, và “Derected Energy Deposition (DED)” – Dùng đầu phun, phun bột kim loại trong chùm năng lượng laser hoặc electron, bột kim loại nóng chảy được đắp trực tiếp lên chi tiết. Bảng 1, giới thiệu một số công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại thuộc hai nhóm trên.
Trong bài báo này, một số công nghệ AM điển hình thuộc hai nhóm trên sẽ được tập trung nghiên cứu về nguyên tắc làm việc, loại vật liệu được sử dụng. Ngoài ra, một phép so sánh định tính về tính năng, công dụng của các công nghệ này sẽ được thảo luận.
1.png
2.2 Nhóm công nghệ PBF
Công nghệ AM dựa trên nguyên lý chế tạo theo từng lớp trên một giường bột (PBF), đặc biệt là SLM và EBM, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Trong mục này, hai công nghệ điển hình, SLM và EBM, được miêu tả chi tiết.
2.2.1 Công nghệ SLM
Công nghệ SLM được phát triển bởi nhiều công ty khác nhau trên thế giới, như Phenix System, Renishaw hay SLM Solutions GmbH. Hình 1 trình bày nguyên lý làm viêc của công nghệ SLM. Năng lượng dùng để làm nóng chảy bột kim loại được tạo bởi Yb-fiber laser có công suất từ 100 đến 400 W. Chùm tia laser được điều khiển và hội tụ tại một điểm để làm nóng chảy bột kim loại nhờ hệ thống thấu kính. Quá trình bắt đầu bởi một lớp bột mỏng được dàn lên bàn chế tạo nhờ một cơ cấu gạt bột (roller/rack). Chùm năng lượng laser được hội tụ và nung chảy bột kim loại tại các điểm định nghĩa bởi dữ liệu số của chi tiết. Sau khi lớp bột kim loại được nung chảy trong vùng tiết diện của chi tiết, bàn chế tạo sẽ thụt xuống một lượng bằng chiều dày lớp cắt từ mô hình CAD của chi tiết, thông thường chiều dầy mỗi lớp từ 75 đến 150 µm. Tiếp theo một lớp bột khác lại được dải lên nhờ hệ thống gạt bột, sau đó được nung chảy để liên kết với lớp trước đó. Quá trình này sẽ được lặp lại cho đến khi chi tiết được chế tạo hoàn chỉnh. Trong quá trình chế tạo, các lớp bột kim loại liên tiếp được nung chảy hoàn toàn và đông đặc ở trên các lớp kế trước. Quá trình làm nóng chảy bột kim loại và quá trình đông đặc kim loại được thực hiện trong môi trường khí trơ hoặc chân không một phần. Sau khi quá trình chế tạo chi tiết kết thúc, chi tiết sẽ được lấy ra từ một khối - bao gồm chi tiết được chế tạo và bột kim loại bao bọc xung quanh. Bột kim loại không bị nóng chảy hoặc bị thiêu kết và nóng chảy một phần được dỡ bỏ và tái chế để sử dụng lại cho lần chế tạo tiếp theo. Chi tiết sau đó sẽ được làm sạch và thực hiện gia công tinh đối với những bề mặt chức năng nếu cần thiết.
2.png
Rất nhiều loại bột kim loại khác nhau được sử dụng với công nghệ SLM như: thép không gỉ 361L, 17-4PH; thép dụng cụ H13, hợp kim nhôm Al-Si-12Mg; Hợp kim titan: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7NB, hợp kim Nickel 625, 718; hợp kim coban.
2.2.2 Công nghệ EBM
Công nghệ EBM được phát triển bởi công ty Arcam của Thụy Điển. Công nghệ này lần đầu tiên được đưa ra thị trường vào năm 1997. Hình 2a mô tả buồng chế tạo của một máy EBM.Nguyên lý làm việc của công nghệ EBM được trình bày trong Hình 2b. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy EBM được mô tả như sau: Cấu tạo của máy EBM bao gồm hai buồng chính – buồng tạo chùm electron và điều khiển chùm electron, và buồng chế tạo chi tiết. Buồng tạo chùm electron bao gồm một súng bắn ra chùm electron – tạo ra bởi một sợi vonfram được đốt nóng - với công suất 60 kV và cường độ lớn nhất của chùm electron là 50 mA. Hệ thống thấu kính có thể điều khiểm tốc độ quét của chùm electron lên đến 8000 m/s. Buồng chế tạo chi tiết bao gồm hai thùng cấp bột (powder hopper), cung cấp bột cho quá trình chế tạo, hệ thống gạt bột (rake) làm nhiệm vụ dải đều bột sau mỗi lớp nung chảy hoàn toàn, bàn chế tạo chi tiết (build platform)… Để sử dụng chùm electron chất lượng tốt nhất và giảm sự oxi hoá của vật liệu, buồng chế tạo được đặt trong môi trương chân không, áp suất khoảng 10-5 mbar. Mô hình CAD của chi tiết, thường định dạng kiểu *stl, được cắt thành các lớp có chiều dày bằng nhau, khoảng 50 – 70 µm nhờ một phần mềm chuyên dụng cho công nghệ EBM (phần mềm Magics). Ban đầu, bột kim loại được dàn trên bàn chế tạo (thường là một tấm thép) nhờ cơ cấu dải bột (rake), sau đó được nung nóng và thiêu kết nhẹ bởi chùm electron, tốc độ quét 14600 m/s, cường độ khoảng 38 mA và tần suất lặp là 12. Bước này gọi là preheating nhằm bảo đảm nhiệt độ trong quá trình chế tạo ổn định ở một giá trị nhất định (phụ thuộc vào từng loại vật liệu) và tránh sự “bắn, tóe” của bột kim loại trong quá trình chế tạo. Sau đó, là quá trình nung chảy bột kim loại hoàn toàn trong vùng định nghĩa bởi chi tiết. Quá trình này được thực hiện tuần tự thông qua hai bước: contour melting– nung chảy bột kim loại theo biên dạng định nghĩa tiết diện của chi tiết, và hatching melting – nung chảy hoàn toàn bột kim loại trong vùng tiết diện của chi tiết theo các chiến lược quét cụ thể, lúc này cường độ sử dụng của chùm electron khoảng 3 – 12 mA. Sau mỗi lần một lớp được xây dựng xong, bàn chế tạo lại thụt xuống một lượng bằng chiều dày mỗi lớp cắt. Quá trình trên sẽ được lặp lại cho đến khi chi tiết được chế tạo hoàn chỉnh. Cũng như trong công nghệ SLM, chi tiết được bao bọc xung quanh bởi bột kim loại ko bị nóng chảy hoặc bị thiêu kết và nóng chảy một phần. Chi tiết được lấy ra khỏi bọc và làm sạch, sau đó thực hiện gia công tinh đối với những bề mặt chức năng nếu cần thiết. Bột kim loại bao bọc xung quanh được tái chế để sử dụng lại cho lần chế tạo tiếp theo nhờ hệ thống PRS (Powder Recycling System). Tỷ lệ tái chế bột đạt từ 95% đến 98%.
3.png
Vật liệu kim loại sử dụng trong công nghệ EBM cũng rất đa dạng như thép, thép dụng cụ, thép không gỉ, hợp kim nhôm, hợp tim titan, hợp kim nickel, coban. Hạn chế của công nghệ EBM là vật liệu dùng chế tạo chi tiết phải dẫn điện.
2.3 Nhóm công nghệ DED
Trong nhóm công nghệ này, công nghệ DMD sẽ được giới thiệu chi tiết, công nghệ này đại diện cho các công nghệ khác thuộc nhóm DED (ví dụ, LENS và CLAD).
Nguyên lý làm việc của công nghệ DMD hoàn toàn khác so với các công nghệ PBF. Trong công nghệ này, bột kim loại nóng chảy được phun trực tiếp lên chi tiết nhờ một đầu phun đặc biệt (coaxial nozzle) (Hình 3). Đầu phun có ba loại vòi phun khác nhau – vòi phun chùm laser (bố trí đồng trục với đầu phun); vòi phun bột kim loại và loại vòi phun khí bảo vệ nhằm tránh quá trình oxi hóa kim loại khi nóng chảy. Bột kim sẽ được nung chảy bằng nguồn laser trong “bể nóng chảy cục bộ (meltpool)” trên chi tiết.Đầu phun được điều khiển với tốc độ không đổi theo quỹ đạo sinh bởi phần mềm DMD-CAM, dựa theo tiết diện ngang của chi tiết. Chi tiết sẽ được chế tạo theo từng lớp cho đến khi hoàn thành. Cấu tạo của một máy DMD bao gồm: hệ thống điều khiển quá trình kiểu vòng phản hồi kín; đầu phun đồng trục (coaxial nozzle), hệ thống cấp bột kim loại và cấp khí bảo vệ; phần mềm DMD-CAM 5 trục dùng cho công nghệ AM; hệ thống hiển thị và lập trình cho người sử dụng. Các máy DMD hiện nay, đầu phun được trang bị trên hệ thống máy điều khiển số CNC - 3, 5 hoặc 6 trục, hoặc trên hệ thống rô-bốt.
Vật liệu kim loại được sử dụng trong công nghệ DMD rất đa dạng như thép, thép dụng cụ, thép không gỉ, hợp kim nhôm, hợp tim titan, hợp kim nickel …
4.png
2.4 So sánh về khả năng công nghệ của DED và PBF
Một trong những điểm mạnh chính của các công nghệ PBF(SLM và EBM) là mở rộng khả năng chế tạo những chi tiết có độ phức tạp hình học cao, các chi tiết có cấu trúc rỗng (ví dụ, rãnh làm mát của khuôn, hoặc các cấu trúc tổ ong, cấu trúc tế bào …). Đặc biệt, công nghệ này còn cho phép chế tạo các cấu trúc thành mỏng, dạng công-xôn. Một trong những ưu điểm khác là ứng suất dư tồn tại trong chi tiết chế tạo bởi công nghệ này nhỏ. Quá trình chế tạo chi tiết trên giường bột theo lớp liên tiếp và tốc độ làm mát nhanh cho phép làm giảm và loại bỏ quá trình đối lưu và truyền nhiệt. Ngoài ra, quá trình nung nóng giường bột trước quá trình làm nóng chảy cũng là một trong những yếu tố giúp giảm ứng suất dư. Nhược điểm của các công nghệ này tốc độ chế tạo thấp, kích thước sản phẩm bị hạn chế bởi kích thước chế tạo của máy (ví dụ, kích thước chế tạo cho phép của máy EBM Arcam A1 là 200 x 200 x 180 mm). Ngoài ra, các công nghệ này chỉ chế tạo được chi tiết với một loại vật liệu duy nhất trong một lần cài đặt và chạy máy.
Trong khi đó, các công nghệ DED (DMD, CLAD và LENS) có tốc độ chế tạo nhanh hơn, và có khả năng chế tạo rất linh hoạt nhờ hệ thống máy điều khiển số CNC 5 trục, 6 trục hay hệ thống rô-bốt. Công nghệ này còn có khả năng sửa chữa chi tiết hỏng hoặc thêm các tính năng làm việc cho chi tiết. Ngoài ra, công nghệ này còn cho phép chế tạo chi tiết với các vật liệu khác nhau trong một quá trình liên tục. Nhược điểm của các công nghệ này là ứng suất dư trong chi tiết lớn, chi tiết dễ bị biến dạng nhiệt, khả năng chế tạo các chi tiết dạng “dầm công-xôn” bị hạn chế. Chất lượng bề mặt của chi tiết chế tạo bởi công nghệ DED kém hơn so với công nghệ PBF. Các công nghệ DED phù hợp khi chế tạo các chi tiết có kích thước trung bình trở lên, dùng cho quá trình sửa chữa, phục hồi và thêm các tính năng làm việc cho chi tiết. Bảng 2 tóm tắt khả năng công nghệ của DMLS, SLM, EBM và DMD.
5.png
3 Ứng dụng của công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại
So với công nghệ gia công cắt gọt, AM rất phù hợp để chế tạo các chi tiết với khối lượng vật liệu nhỏ, đặc biệt là các chi tiết có cấu trúc hình học phức tạp. Nhờ các tính năng siêu việt trong chế tạo, AM cung cấp một tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong công nghiệp chế tạo máy bay, ô tô và trong lĩnh vực y sinh - chế tạo các bộ phận cấy ghép trong cơ thể người.
3.1 Ứng dụng trong công nghiệp chế tạo máy bay
Các chi tiết của máy bay thường có hình dạng rất phức tạp với nhiều cấu trúc dạng thành mỏng và thường được chế tạo từ các hợp kim siêu nhẹ, siêu bền như hợp kim của titan, nickel, các loại thép đặc biệt. Bằng phương pháp gia công cắt gọt thông thường, các chi tiết này được chế tạo từ phôi dạng khối hộp, do đó khối lượng vật liệu phải cắt rất lớn, tốn nhiều thời gian và năng lượng sử dụng. Thêm vào đó, các hợp kim này cũng rất khó cắt gọi, đặc biệt là titan, dẫn đến giá thành chế tạo sản phẩm rất cao. Mặt khác, sản lượng các chi tiết chế tạo thường là nhỏ, do vậy sử dụng công nghệ AM để chế tạo các chi tiết này sẽ đạt được hiểu quả kinh tế cao. Hình 4 giới thiệu một số chi tiết của máy bay được chế tạo bởi công nghệ AM.
6.png 3.2 Ứng dụng trong công nghiệp chế tạo ô tô
Hiện nay ngành công nghiệp ô tô đã và đang ứng dụng công nghệ AM như một công cụ quan trong trong quá trình thiết kế và chế tạo, bởi công nghệ AM cho phép rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và giảm giá thành chế tạo. AM được sử dụng để chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp, khối lượng nhỏ với số lượng ít. Nhiều công ty và các viện nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng công nghệ AM để chế tạo các chi tiết có tính năng quan trọng trong xe đua. Hình 5 giới thiệu một số chi tiết trong ô tô được chế tạo bởi công nghệ AM.
3.3 Ứng dụng trong phục hồi dụng cụ, khuôn mẫu
Trong lĩnh vực phục hồi sữa chữa dụng cụ khuôn mẫu, sự kết hợp giữa công nghệ AM (đặc biệt là các công nghệ DED như DMD và CLAD) và công nghệ CNC (sự kết hợp này cho ra đời một công nghệ mới gọi là công nghệ hybrid manufacturing) cho phép sữa chữa khuôn mẫu một cách hiệu quả[27], giảm thời gian và giá thành chế tạo khuôn mẫu. Ngoài ra, công nghệ DED (DMD và CLAD …) còn cho phép đắp lên bề mặt làm việc một lớp vật liệu có tính năng làm việc cao hơn vật liệu nền khuôn, đảm bảo tuổi thọ lâu dài của khuôn và giảm giá thành vật liệu (Hình 6d). Hình 6 giới thiệu một số ứng dụng của công nghệ DMD.
8.png
3.4 Ứng dụng trong lĩnh vực y sinh
Gần đây công nghệ AM được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. AM được dùng để chế tạo các bộ phận cấy ghép trong cơ thể người, chế tạo răng giả trong lĩnh vực nha khoa. Các chi tiết cấy ghép thường được chế tạo từ các hợp kim có độ bền, độ chống ăn mòn cao và có đặc tính tốt về mặt sinh học, ví dụ hợp kim titan (Ti-6Al-4V). Mặt khác, khối lượng của các chi tiết cấy ghép được thiết kế nhẹ nhất có thể nhưng vẫn đảm bảo được chức năng làm việc. Với những yêu cầu đó, các công nghệ AM, như EBM và SLM, là lựa chọn hoàn toàn phù hợp. Với khả năng cho phép chế tạo các chi tiết phức tạp, các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa về mặt hình học của chi tiết và tích hợp các cấu trúc dạng xốp bên trong chi tiết cấy ghép. Hình 7 và Hình 8 giới thiệu các chi tiết cấy ghép chế tạo bởi công nghệ EBM và SLM.
9.png
---------------------------
Nguồn: Lê văn Thảo, Hoàng Quang Huy, Đỗ Tiến Lập
 
Last edited:
Top