Công nghệ in 3D kim loại (Phần 1)

Công nghệ in 3D đã không còn xa lạ với nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất. Tiêu biểu như công nghệ tạo mẫu nhanh các mẫu vật bằng nhựa, công nghệ xây nhà bằng cách in vật liệu. Với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ ngày nay, công nghệ in 3D tiếp tục được ứng dụng vào việc chế tạo các chi tiết kim loại để phục vụ các ngành cơ khí như ô tô, hàng không bằng hai loại công nghệ in kim loại là công nghệ SLM và công nghệ DMD. Bài viết này xin được giới thiệu về hai loại công nghệ này và những ứng dụng của công nghệ in 3D kim loại trong các lĩnh vực sản xuất.

Hiện nay trên thị trường, máy in 3D các chi tiết kim loại đã được thương mại hóa với nhiều công nghệ in khác nhau được sử dụng. Tuy nhiên có thể phân chia Công nghệ In 3D sử dụng vật liệu kim loại thành hai nhóm theo phương thức chế tạo chi tiết:

• Powder Bed Fusion (PBF): Phương pháp nung chảy bột kim loại theo từng lớp trên bề mặt tiết diện chi tiết. Tiêu biểu của nhóm phương pháp này là công nghệ SLM (Selective Laser Melting)

• Derected Energy Deposition (DED): Phương pháp phun bột kim loại nỏng chảy đắp trực tiếp lên chi tiết. Tiêu biểu của nhóm phương pháp này là công nghệ DMD (Direct Metal Deposition)

Công nghệ SLM (Selective Laser Melting)

Công nghệ SLM sử dụng nguồn tia laser được điều khiển qua hệ thống thấu kính giúp chùm tia hội tụ tại một điểm và làm nóng chảy bột kim loại. Quá trình chế tạo được thực hiện theo từng lớp mặt cắt của chi tiết chế tạo. Đầu tiên, một lớp một mỏng sẽ được dàn đều lên bàn chế tạo nhờ cơ cấu gạt bột tự động. Nhờ hệ thống tia laser, lớp bột kim loại trong vùng tiết diện đầu tiên của chi tiết sẽ được nung chảy và đông đặc gắn kết lại. Sau đó, bàn thao tác sẽ tự động hạ xuống một khoảng cách từ 75 – 150 µm, tiếp theo một lớp bột khác lại được dàn lên và quá trình nung chảy, đông đặc lại tiếp tục diễn ra. Chu trình này được thực hiện tới khi chi tiết được chế tạo hoàn chỉnh. Trong suốt quá trình chế tạo, môi trường phải đảm bảo hoàn toàn là khí trơ hoặc trong áp suất chân không để tránh sự oxi hóa vật liệu.

Sau quá trình chế tạo, chi tiết sẽ được lấy ra và mang đi gia công bề mặt theo các yêu cầu. Phần bột kim loại dư thừa sẽ được tái sử dụng cho lần chế tạo kế tiếp.

Công nghệ DMD (Direct Metal Deposition)

Nguyên lý làm việc của Công nghệ DMD là sử dụng một đầu phun bột kim loại nóng chảy trực tiếp lên chi tiết. Để phun được bột kim loại lên chi tiết, đầu phun được thiết kế đặc biệt với 3 vòi phun đồng trục là:

• Vòi phun chùm laser làm nóng chảy lớp bột kim loại

• Vòi phun bột kim loại nguyên liệu

• Vòi phun khí trơ giúp bảo vệ chi tiết

Đầu phun được điểu khiển di chuyển với vận tốc không đổi để đảm bảo lớp bột kim loại đông đặc hoàn toàn. Quỹ đạo di chuyển của đầu phun được lập trình sẵn tùy theo tiết diện ngang và chiều dày của lớp chi tiết.

Ưu và nhược điểm của hai phương pháp PBF và DED

• Phương pháp PBF: cho phép chế tạo những chi tiết có độ phức tạp hình học cao, các chi tiết có cấu trúc rỗng, các chi tiết dạng thành mỏng. Ứng suất dư của các chi tiết chế tạo theo phương pháp này nhỏ. Tuy vậy, phương pháp PBF có tốc độ chế tạo thấp, kích thước sản phẩm bị hạn chế bởi bàn thao tác và chỉ chế tạo được chi tiết có một loại vật liệu duy nhất. • Phương pháp DED: có tốc độ chế tạo nhanh và linh hoạt hơn nhờ hệ thống CNC điều khiển trục phun. Sử dụng được nhiều loại vật liệu khác nhau trong quá trình chế tạo. Tuy vậy ứng suất dư khi chế tạo theo phương pháp này lớn và chất lượng bề mặt kém hơn so với phương pháp DED.

Trong phần 2, bài viết xin phép giới thiệu về những ứng dụng của công nghệ in 3D kim loại.

Văn phòng NSCL tổng hợp