Tìm hiểu về công nghệ in 3D kim loại

Công nghệ in 3D trước đây chủ yếu sử dụng vật liệu nhựa để in. Hiện nay, với những ưu điểm mới của mình, công nghệ in 3D kim loại nhanh chóng được đưa vào áp dụng thay thế cho in 3D nhựa trong một số lĩnh vực.

Công nghệ in 3D kim loại là gì?

Công nghệ in 3D kim loại là công nghệ tạo ra các sản phẩm in bằng kim loại, giúp khắc phục được những nhược điểm của công nghệ in 3D truyền thống trước đó, cho ra những sản phẩm có độ bền cao.

In 3D kim loại khác với những công nghệ in 3D như FDM hay DLP, công nghệ này sử dụng vật liệu đầu vào là bột kim loại và áp dụng nguồn năng lượng tia laser với cường độ lớn. Từng lớp kim loại sẽ được đắp lớp, dần dần tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh.

Hiện nay công nghệ in 3D kim loại bao gồm 2 dạng chính là DMLS và SLM. Cùng tìm hiểu về DMLS và SLM ngay sau đây.

Ưu điểm của in 3D kim loại

In 3D kim loại có rất nhiều ưu điểm như:

Tốc độ tạo ra sản phẩm nhanh hơn so với công nghệ in khác.

Trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh thì chi phí đầu tư sở hữu của công nghệ in 3D kim loại là thấp nhất.

Chi phí sản xuất cũng như chi phí nguyên vật liệu thấp.

Vật liệu cho quá trình chế tạo và khả năng ứng dụng rất đa dạng.

Có khả năng in các sản phẩm với cấu tạo hình học phức tạp mà không cần sự hỗ trợ của giá đỡ.

Dễ dàng để chuẩn bị, sử dụng cũng như bảo trì, bảo dưỡng.

Có khả năng tạo mẫu với đa dạng màu sắc, lên đến hàng triệu màu.

Cho phép người dùng chế tạo ra các sản phẩm đa dạng từ các vật liệu khác nhau cùng khối lượng, kích thước với các tỷ lệ khác nhau, màu sắc đa dạng so với chi tiết hoặc sản phẩm thật.

Quy trình in 3D kim loại

Trước tiên, buồng tạo hình phải chứa đầy khí trơ (ví dụ như argon. Điều này để giảm thiểu quá trình oxy hóa của bột kim loại và sau đó kim loại được nung nóng đến nhiệt độ tạo hình tối ưu.

Một lớp bột kim loại mỏng sẽ được trải trên bàn in và tia laser công suất cao quét mặt cắt ngang của chi tiết, làm tan chảy (hoặc nung chảy) các hạt kim loại lại với nhau để tạo ra lớp tiếp theo. Toàn bộ khu vực của mô hình sẽ được quét, nhờ đó chi tiết được tạo hình hoàn toàn vững chắc.

Khi quá trình quét hoàn tất, bàn in sẽ di chuyển xuống dưới theo độ dày một layer và lớp phủ sẽ trải một lớp bột kim loại mỏng khác. Quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ chi tiết được hoàn thành.

Đến khi quá trình tạo hình kết thúc, các sản phẩm in sẽ lẫn trong bột kim loại. Không giống như quá trình tổng hợp bột polymer (như SLS), các bộ phận này được gắn vào bàn in thông qua các cấu trúc hỗ trợ. Phần hỗ trợ in 3D kim loại được tạo hình bằng vật liệu tương tự như chi tiết in và luôn được yêu cầu để giảm thiểu sự cong vênh hoặc biến dạng có thể xảy ra do nhiệt độ xử lý cao.

Sau khi thùng nguội đến nhiệt độ phòng, bột thừa lúc này được loại bỏ bằng tay và các sản phẩm thường được xử lý nhiệt trong khi vẫn tiếp tục gắn vào bàn in để giảm bớt các ứng suất dư. Tiếp đó, các sản phẩm được lấy ra khỏi tấm in bằng cách cắt, gia công hoặc dây EDM và sẵn sàng để sử dụng hay xử lý nguội thêm sau đó.

Vật liệu in 3D kim loại

Vật liệu sử dụng trong in 3D kim loại rất đa dạng, dưới đây là các vật liệu in 3D kim loại được sử dụng phổ biến:

Thép

Thép là một vật liệu phổ biến sử dụng trong in 3D kim loại. Nhờ đặc tính linh hoạt, ứng dụng tuyệt vời mà được sử dụng rộng rãi trong cơ khí. Thép là loại vật liệu in 3D kim loại thích hợp, là lựa chọn số một để tạo ra các bộ phận, chi tiết chất lượng cao. Một vài ưu điểm nổi bật của thép khi được dùng để in 3D:

Sở hữu độ cứng cùng độ bền cao

Đặc tính của thép rất linh hoạt và phong phú

Thép có thể xử lý ở nhiệt độ cao

Hấu hết, các kim loại được làm từ thép đều có thể dùng để in được, trong đó có 2 loại được sử dụng phổ biến nhất là thép công cụ và thép không gỉ.

Siêu hợp kim

Công nghệ in 3D kim loại đã tạo ra sự khác biệt lớn nhờ khả năng chế tạo ra được các loại hợp kim có giá trị khá cao với chi phí tương đối thấp. Trong khi thiết kế và sản xuất theo phương pháp gia công truyền thống thường sẽ gặp khó khăn cũng như tốn kém nhiều hơn thì in 3D đã giúp cho các công ty sản xuất các bộ phận, chi tiết đạt hiệu suất cao với chi phí hợp lý.

Siêu hợp kim sử dụng để in 3D có khả năng hoạt động mạnh trong môi trường khắc nghiệt như nơi có hóa chất ăn mòn, nơi có nhiệt độ cao hay cả hai môi trường. Hiện nay có nhiều siêu hợp kim có thể sử dụng để in được và hai nhóm siêu hợp kim được sử dụng phổ biến nhất là Cobalt Chrome và Inconel.

Một vài ưu điểm khi in 3D sử dụng siêu hợp kim:

Sở hữu tính chất cơ học vô cùng tuyệt vời

Có khả năng chống nóng và chống ăn mòn tốt

Khả năng ổn định bề mặt rất tốt

Titan

Mặc dù đây không phải là kim loại được sử dụng phổ biến trong các hoạt động sản xuất thông thường, nhưng Titan có tỉ lệ sức mạnh trên giá thành và trọng lượng cao (bao gồm cả chi phí gia công lẫn chi phí vật liệu). Chính vì lý do đó mà Titan đã trở thành một lựa chọn hoàn hảo cho in 3D. Titan có thể được in dưới hai dạng khác nhau là Titan tinh khiết và hợp kim Titan.

Một vài thuộc tính nổi bật của Titan khi dùng trong công nghệ in 3D:

Có tỉ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao

Sở hữu khả năng kháng hóa chất và chống nóng tốt

Tương thích sinh học tốt (còn tùy thuộc vào quá trình và hợp kim)

Đồng

Trong các loại vật liệu sử dụng có thể in 3D kim loại thì đồng cho thấy một giá trị vô cùng độc đáo. Đồng được sử dụng để dẫn điện và dẫn nhiệt thay vì các đặc tính cơ học của nó. Sử dụng đồng để in 3D cho phép các kỹ sư tạo ra các bộ phận được tối ưu hóa về mặt hình học và dẫn điện, dẫn nhiệt như tay hàn, tản nhiệt, lối dẫn điện với chi phí thấp hơn nhiều.

Hiện nay, chỉ có một vài hệ thống có khả năng in bất kỳ phiên bản nào của kim loại đồng. Đồng còn có thể được in ở dạng nguyên chất hoặc thường thấy hơn hết là ở dạng hợp kim.

Một vài thuộc tính nổi bật của đồng trong công nghệ in 3D:

Khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

Dễ uốn nắn được thành nhiều hình dạng khác nhau

Có khả năng chống ăn mòn cao

Nhôm

Nhôm thường được lựa chọn và tin dùng trong một số máy in 3D kim loại thay vì được thấy trong các quy trình sản xuất thông thường. Sự khan hiếm của các bộ phận, chi tiết kim loại nhôm in 3D là do hai yếu tố chi phí thấp cùng khả năng in thấp khi chế tạo truyền thống.

Một vài ưu điểm nổi bật của nhôm khi sử dụng để in 3D:

Dễ uốn nắn được thành nhiều hình dạng khác nhau

Có tính bền chặt và nhẹ

Có nhiều lựa chọn thay thế cho nhôm trong khi in 3D