Trang chủ / Công trình nghiên cứu / Công nghệ in 3D trong ngành luyện kim
adv.

Công nghệ in 3D trong ngành luyện kim

24/11/2017

Nói đến công nghệ in 3D trong các ngành nghề không phải là nói đến những khả năng mà công nghệ in 3D chế tạo ra sản phẩm mới cho các ngành nghề đó. Nhiều ngành nghề đã có từ lâu, sản phẩm của các ngành nghề rất phong phú, đã phát triển theo theo những quy luật kinh tế xã hội. Mỗi ngành nghề có những đặc điểm riêng, với những tiến bộ của công nghệ truyền thống, đi đôi với những tiến bộ về quản lý kinh tế - xã hội, hầu như mỗi ngành nghề đều định hướng được những con đường phát triển tối ưu. Nay nhờ có công nghệ in 3D, có những cách chế tác sản phẩm hoàn toàn mới, vậy những cách chế tác mới này có ảnh hưởng như thế nào đến các ngành nghề đang phát triển trên cơ sở công nghệ truyền thống? Vì vậy, nói đến công nghệ in 3D đã có ảnh hưởng đến ngành nghề nào cần tìm hiểu những đặc điểm của ngành nghề đó và nêu rõ tác dụng cụ thể của công nghệ in 3D đối ngành nghề đó như thế nào. CÁN DÍNH LỚP PHỦ CHỌN LỌC (SELECTIVE DEPOSITION LAMINATION) Phương pháp này còn được gọi là in 3D giấy (paper 3D printing) vì nguyên liệu là giấy (thường dùng khổ A4). Sau khi đã đưa chương trình vào máy, nội dung các bước chuẩn bị và máy thực hiện như sau (nói cụ thể đối với trường hợp nguyên liệu là chồng giấy A4): - Đặt (thủ công) một tờ giấy A4 lên khay của máy. Đóng cửa máy và ấn nứt cho chương trình chạy tự động. - Máy phun chất dính lên tờ giấy đã đặt lên khay. Chất dính được phun đậm lên giấy theo hình của lớp cắt thứ nhất và phía bên ngoài của lớp phun đậm này là lớp phun rất ít chất dính nhằm sau này tách bỏ được. Như vậy việc phun chất kết dính là có chọn lọc (selective): phun đậm để kết dính tốt các phần sau này sẽ tạo nên vật in 3D, phun thật nhạt các phần sau để tách ra, bỏ đi. - Máy đưa tờ giấy A4 mới đặt lên tờ giấy A4 đã phun chất kết dính. Bộ phận ép nóng được đưa vào để ép nóng giấy mới với giấy cũ, rồi đưa ra. - Mũi dao nhọn cực sắc (bằng carbid vonfram) được đưa vào để cắt tờ giấy mới đưa vào theo đường viền của hình lớp cắt thứ nhất (đường viền của phần phun keo dính đậm ở tờ giấy dưới mũi dao được điều chỉnh để cắt với độ sâu bằng đứng bề dày của tờ giấy. - Phun chọn lọc chất kết dính lên tờ giấy mới đưa vào (đã bị ép nóng và bị cắt) phần theo hình của lớp cắt thứ hai sẽ được phun đậm, phần bên ngoài phun nhẹ. - Đưa tờ giấy A4 mới đặt lên trên tờ giấy A4 vừa phun kết dính và bộ phận ép nóng ép dán tờ giấy A4 mới với tờ giấy A4 cũ. Cứ tiếp tục (dùng mũi dao nhọn cắt theo đường viền của hình lớp cắt trước rồi phun chất kết dính một cách chọn lọc, đặt tờ giấy mới lên giấy cũ,... cho đến tờ giấy cuối cùng có mũi dao cắt theo đường viền của lớp cắt trên cùng. Sản phẩm in 3D là một vật gồm những tờ giấy có hình các lớp cắt xếp chồng lại, dán chặt với nhau bằng keo dính ép nóng như là cán các lớp lại với nhau. IN PHUN  KIM  LOẠI LỎNG LMJP (LIQUID METAL JET PRINT) Kim loại (hợp kim) có nhiệt độ nóng chảy thông thường ở nhiệt độ từ vài trăm độ đến vài nghìn độ. Vì vậy cách phổ biến để có vật in bằng kim loại là nóng chảy chọn lọc bằng laze (selective laser melting): trải từng lớp mỏng bột kim loại, dùng tia laze cường độ lớn để tập trung thành điểm nhỏ chiếu và vẽ lên lớp bột theo hình chọn lọc (ứng với lớp cắt), kim loại bột bị nóng chảy theo hình chọn lọc, chồng chất lớp cắt đó lại có được vật in 3D bằng kim loại. Phương nóng chảy chọn bằng laze này thuận lợi, dễ phổ biến nhưng kim loại phải làm thành bột hạt rất mịn, có thế các hạt nóng chảy mới kết dính lại thành một khối thật rắn chắc và mặt ngoài mới ít sù sì. Làm được bột thật mịn là một khâu cần có công nghệ xử lý đặc biệt, khó làm. Đó là nhược điểm của phương pháp này. Thực ra phương pháp phun chất nóng chảy theo một hình dạng nhất định để khi nguội cứng lại có được một vật (ba chiều) đã có từ lâu đối với vật liệu dễ nóng chảy như sáp. Tuy nhiên, in bằng tia kim loại lỏng được xem như bắt đầu vào năm 1972 do hãng IBM thực hiện với mục đích phục vụ công nghiệp điện tử. Hãng Philips Bắc Mỹ có bằng sáng chế về in phun kim loại lỏng LMJP năm Ở đây đã dùng một loại bơm gốm áp điện PZT để tạo ra áp suất làm cho kim loại lỏng phun ra thành các giọt nhỏ từ lỗ phun, các giọt này chồng chất lại và đông cứng, khi nguội tạo ra vật (vật in 3D như tên gọi sạu này). Vì loại gốm PZT này chỉ bị tác động dưới một nhiệt độ nhất định (nhiệt độ Curie) nên kim loại nóng chảy ở đây phải có nhiệt độ nóng chảy ví dụ dưới 200 °C. Năm 1993 có sáng chế dùng bơm điện động lực để phun kim loại nóng chảy. Bơm có bộ phận chủ yếu là một cuộn dây điện từ có dòng điện chạy qua để tạo lực đẩy cho kim loại lỏng phun ra. Bơm điện động lực nói chung là hoạt động rất tin cậy nhưng tốc độ tạo xung áp suất không được cao như bơm áp điện. Trước đây người ta rất quan tâm đến các phương pháp phun kim loại lỏng để chế tạo bột kim loại dạng hình cầu đều đặn, rất mịn và sạch, dùng trong công nghệ luyện kim bột và làm bột hàn. Gần đây, việc bơm - phun kim loại lỏng này là kỹ thuật chủ yếu của công nghệ in 3D kiểu in phun kim loại lỏng LMJP. Máy in phun kim loại lỏng gồm đầu phun có thể điều khiển để phun ra các giọt kim loại lỏng. Kim loại được nung cho nóng chảy dẫn vào đầu phun ở áp suất bình thường. Nhưng khi tác dụng xung điện vào bộ áp điện, lực áp điện sẽ đẩy kim loại lỏng ra khỏi lỗ đầu phun (lỗ này có thể có kích thước từ 500 xuống 50 micromet), mỗi xung là một giọt kim loại lỏng rơi ra. Tần số của xung áp điện quyết định số giọt chất lỏng, trong một giây rơi khỏi đầu phun (tần số có thể trong khoảng từ 1 kHz đến 10 kHz). Khi tần số cao, số giọt rơi ra trong một giây lớn, đến một mức nào đó có thể xem như một tia kim loại lỏng liên tục. Các giọt kim loại lỏng ra khỏi đầu phun rơi xuống giá đế bị nguội đi, dính vào nhau rồi đóng rắn lại. Tùy theo điều khiển để đầu phun vẽ lên giá đế hình gì (có thể đầu phun đứng yên, giá đế chuyển động), kết quả cuối cùng là các giọt rơi tạo thành hình ba chiều trên đế, đó là vật in 3D. Quan sát tỉ mỉ có thể còn thấy mặt ngoài của vật 3 chiều là gồm các hạt nhỏ dính liền hoặc liền nhau như một khối, đó là tùy vào cách điều chỉnh các thông số như kích thước giọt (lỗ phun), tần số phun, kim loại lỏng,... Máy in phun kim loại lỏng có thể là máy có một đầu phun hoặc máy nhiều đầu phun, in được một hoặc nhiều kim loại,... Hãng chế tạo máy in 3D kiểu in phim kim loại lỏng khá nổi tiếng là hãng Vader, đã đưa ra thị trường loạt máy in 3D có thể in được nhôm với đặc điểm: -  In phun kim loại lỏng (nhôm) - Thể tích máy: 250 x 250 x 250 mm - Tốc độ: 20 mL/h - Công suất máy: 1800 W - Trọng lượng: 54 kg Về sau hãng đưa ra nhiều kiểu thực dụng hơn, kích thước nhỏ, thuận lợi cho dùng ở gia đình, điều khiển bằng máy tính kiểu laptop. Bên cạnh việc phát triển nhiều kiểu máy in phun kim loại lỏng đã xuất hiện xu hướng tìm những kim loại (hợp kim) dễ nóng chảy để việc in dễ dàng hơn. Nhiều nghiên cứu hướng về hợp kim chủ yếu là Bi (bitsmut) và In (Indi) có pha thêm các kim loại như Sn (thiếc) và Zn (kẽm) làm chức năng dẫn điện. Ví dụ, hợp kim Bi35ln48,6Sn15,9Zn0,4  có  tỷ  trọng  7,56  g/cm3 (gần như sắt: 7,86 g/cm3), nhiệt độ nóng chảy 58,3 °C (cao hơn nhiệt độ phòng), rất thuận lợi để in các mạch dẫn trong công nghệ vi cơ điện tử MEMS. PHÂN TÁCH THIÊU KẾT CÓ CHỌN LỌC SSS (SELECTIVE SEPARATION SINTERING) Để có sản phẩm in 3D kim loại hoặc gốm đã có những phương pháp phổ biến: phương pháp thiêu kết chọn lọc SLS, phương pháp nóng chảy chọn lọc bằng laze SLM hoặc phương pháp nóng chảy chọn lọc bằng tia điện tử EBM. Các phương pháp này cho phép có được sản phẩm in 3D cấu tạo từ các hạt bột (gốm, kim loại) thiêu kết hoặc nóng chảy kết lại với nhau. Nhờ các phương pháp này có thể có được sản phẩm in 3D bằng kim loại hoặc bằng gốm khá bền chắc. Tuy nhiên, máy in 3D sử dụng các phương pháp này đắt, đòi hỏi môi trường chọn lọc (không bị ôxi hóa, chân không) và nói chung là tốc độ in chậm. Phương pháp phân tách thiêu kết có chọn lọc là phương pháp do các nhà khoa học Jing Zhang và Behrokh Khoshnevis ở Đại học Southern Califomia sáng tạo nên. Ở phương pháp này có hai loại bột được dùng. Một là loại bột cơ sở, gọi tắt là bột B (base powder - B powder) gồm các hạt nhỏ khi nung nóng dễ thiêu kết, các hạt bột gắn chặt lại với nhau, người ta còn gọi là bột tạọ ra vật in. Hai là loại bột phân tách, gọi là bột S (separa- tor powder - S powder) có nhiệt độ thiêu kết cao hơn hẳn nhiệt độ thiêu kết của loại bột cơ sở. Vì vậy, khi nung nóng cả hai loại bột ở nhiệt độ vừa phải, các bột cơ sở (bột B) bị thiêu kết dính chặt vào nhau còn loại bột phân cách (bột S) vì chưa bị thiêu kết nên vẫn rời rạc. Phương pháp SSS có những ưu điểm (so với các phương pháp thiêu kết hay nóng chảy chọn lọc bằng tia laze hoặc bằng chùm tia điện tử) như Giá thành hạ: ở đây không dùng tia điện tử hoặc tia laze công suất lớn, đó là các loại tia phải có thiết bị tinh vi, hiện đại, điều khiển ở trình độ cao mới đảm bảo được hoạt động. Khi làm việc với các máy này phải quét chậm tia laze hoặc tia điện tử sao cho sức nóng chúng tạo ra kịp làm thiêu kết bột. Quét đã chậm, nếu diện tích lớn thì thời gian quét tăng lên nhiều, sản phẩm in 3D có kích thước càng lớn thì giá thành càng cao. Riêng với các phương pháp nóng chảy laze chọn lọc SLM đối với gốm thì chế độ, quy trình in 3D hiện nay chưa thật đảm bảo: thường sau khi nóng chảy và nguội lại, gốm hình thành hay bị những vết nứt nhỏ và bề mặt không thật tốt. Trái lại ở phương pháp SSS, thời gian in tỷ lệ với kích thước vật in 3D sẽ tạo ra, do đó khi tạo ra các vật có kích thước lớn không mất nhiều thời gian chạy máy như ở SLS và SLM. Sau khi lấy vật in 3D đã hình thành do thiêu kết, dễ thổi sạch bột S ra khỏi vật in, lò thiêu kết cũng như vật in 3D đều không bị nhiễm bẩn. Bản thân máy in 3D này chủ yếu có hai bộ phận là bộ gạt bột B thành lớp mỏng trên khay và bộ phận điều khiển đầu phun bột S chuyển động vạch ra các đường bột S cách ly. Do chỉ có hai bộ phận chủ yếu đó nên dễ chế tạo máy in 3D để có vật in được là to hay nhỏ. Thực ra máy in 3D kiểu SSS này có nhiều chi tiết quan trọng nữa đối với kỹ thuật nhưng không phải đắt tiền như các loại rung áp điện, đảm bảo bột rơi xuống đều theo chương trình điều khiển và các chi tiết làm cho bột kết dính ngăn cản việc rơi xuống,... Có thể dùng nhiều loại bột B ứng với các chất khác nhau trong khi đó chỉ cần một loại bột S, miễn là nhiệt độ thiêu kết của loại bột S cao hẳn lên. Mục đích để: dù thiêu kết ở nhiệt độ cao như thế nào đi nữa thì nhiệt độ thiêu kết ấy vẫn không đủ làm các hạt của bột S bị thiêu kết.

PGS TS NGUYỄN ĐỨC KHIỂN