In 3D và những ứng dụng trong ngành đúc

IN 3D VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH ĐÚC

Nguyễn Ngọc Hà*

(*) Trường Đại  học Bách khoa, ĐHQG-HCM

 

1. Khái niệm về in 3D

In 3D (chế tạo đắp lớp) là một nhánh nhỏ của công nghệ tạo mẫu nhanh, trong đó các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể. Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ và được sản xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu điện tử khác. Máy in 3D là một loại robot công nghiệp. Các sản phẩm của in 3D có thể sử dụng như một sản phẩm bình thường.

2. Tóm tắt lịch sử phát triển

Năm 1984 Charles Hull phát triển công nghệ có thể tạo ra một vật thể hữu hình vật lí 3D từ các dữ liệu số và năm 1986 ông đặt tên công nghệ này là Stereolithography và đăng ký bản quyền. Sau đó ông thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiên là SLA (Stereolithography Apparatus). Cùng năm này LOM, SLS, DTM, EOS cũng được đăng ký bản quyền.

Năm 1987 3D System phát triển SLA-250, phiên bản máy in 3D đầu tiên được giới thiệu với công chúng.

Năm 1988 công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) được phát minh bởi Scott Crump.

Năm 1991 máy in 3D đầu tiên dùng công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing) được bán ra bởi Helisys.

Năm 1992 chiếc máy FDM đầu tiên được bán ra bởi Stratasys. Cũng trong năm này, dòng máy SLS (Selective Laser Sintering) được DTM bắt đầu bán ra.

Năm 1993 Viện Công nghệ MIT đăng ký phát minh “3D Dimensional Printing” gọi tắt là 3DP, công nghệ này giống với in phun 2D bình thường. Đây chính là khởi điểm cho cụm từ “In 3D” ngày nay.

Năm 1995 Công ty Z Corporation mua lại giấy phép độc quyền từ MIT để sử dụng công nghệ 3DP và bắt đầu sản xuất các máy in 3D.

Năm 1996 cụm từ “Máy in 3D” được sử dụng lần đầu tiên để chỉ những chiếc máy tạo mẫu nhanh.

Năm 2005 dòng máy in 3D đầu tiên tạo ra những sản phẩm nhiều màu sắc chất lượng cao (Spectrum Z510) bởi Z Corp.

Năm 2006 Dự án máy in 3D mã nguồn mở được khởi động – Reprap – mục đích để tạo ra những máy in 3D có thể sao chép chính bản thân nó, cho phép chúng ta điều chỉnh hay sửa đổi nó tùy ý nhưng phải tuân theo điều luật GNU General Public Licence.

Năm 2008 Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành. Nó có thể sản xuất được 50 % các bộ phận của chính mình.

Cùng năm 2008, Connex500TM được giới thiệu bởi Object Geometries Ltd. đã tạo ra cuộc cách mạng trong ngành tạo mẫu nhanh khi đây là chiếc máy đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra sản phẩm 3D với nhiều loại vật liệu khác nhau cùng một thời điểm.

11/2010 Urbee – chiếc xe nguyên mẫu đầu tiên được giới thiệu trên thế giới mà toàn bộ phần vỏ thân được in ra từ máy in 3D. Tất cả các bộ phận bên ngoài, kể cả kính chắn gió đều được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn của Stratasys.

12/2010 – Organovo Inc. công ty y học tái tạo nghiên cứu trong lĩnh vực in 3D sinh học đã công bố việc chế tạo ra hoàn chỉnh mạch máu đầu tiên hoàn toàn bằng công nghệ in 3D.

01/2011 Các nhà nghiên cứu Đại học Cornell xây dựng máy in thức ăn đầu tiên bằng công nghệ 3D.

07/2011 Các nhà nghiên cứu Đại học Exeter, Đại học Brunel cùng với các nhà lập trình Delcam đã phát triển máy in 3D có thể in ra các sản phẩm từ chocolate.

08/2011 Chiếc máy bay được in 3D đầu tiên bởi các kỹ sư của Đại học Southampton.

10/2011 Công ty I.materialise trở thành công ty đầu tiên in 3D trên vật liệu là vàng 14K và bạc, tạo thêm sự lựa chọn để chế tác ít tốn kém hơn cho các nhà thiết kế đồ trang sức.

2012 các bác sĩ và kỹ sư Hà Lan sử dụng in 3D để in hàm dưới giả cấy ghép cho người bị nhiễm trùng xương mãn tính. Công nghệ này hiện đang được nghiên cứu để thúc đẩy sự tăng trưởng của tế bào xương mới.

3. Sơ lược về quy trình chung in 3D

Các công đoạn in phụ thuộc rất nhiều vào dòng máy in 3D, tuy nhiên có thể tóm tắt các bước chung như trên hình 1.

 

Hình 1. Các bước cơ bản trong quá trình in 3D

Bước đầu tiên của mọi quá trình in 3D đó là một mô hình 3D đã được số hóa. Mô hình 3D in có thể được tạo ra với một thiết kế máy tính hỗ trợ (CAD) hoặc thông qua một máy quét 3D … Trong công nghiệp người ta thường dùng 3D CAD hoặc cũng có thể dùng phần mềm đơn giản hơn như Sketchup hay MeshMixer. Các mô hình sau đó sẽ được phần mềm xử lí tạo thành một file mà máy in 3D có thể đọc được (thường trong .skp, .dae, .3ds hoặc một số định dạng khác cần phải được chuyển đổi sang định dạng a.STL hoặc định dạng .obj thì mới có thể đọc và in được).

Sau khi đã có mô hình số 3D  sẽ bắt đầu quá trình “in”. Khi tiến hành in, máy in chồng các lớp vật liệu theo thông tin được lưu trữ trong file đó, các lớp được in lần lượt chồng liên tiếp lên nhau theo từng lớp. Sau khi chồng các lớp xong, sẽ được một sản phẩm hoàn chỉnh,

4. Một số phương pháp in 3D phổ biến

4.1. Phương pháp VAT Photopolymerisation

Sử dụng một bể chứa chất nhựa lỏng, trong đó sản phẩm được xây dựng theo từng lớp. Chùm tia sáng được điều khiển đi qua mặt kính quang học đến bể chứa và làm cứng nhựa theo hình cắt lớp của vật thể, tấm đế đỡ sản phẩm sẽ di chuyể  hạ thấp xuống sau mỗi lớp cắt được xử lý (hình 2).

Hình 2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của VAT Photopolymerisation

(Nguồn: enggtechnique.com)

 

Phương pháp này có độ chính xác cao, bề mặt tốt, thích hợp cho cả các vật thể có kích thước lớn. Do quá trình sử dụng chất lỏng để tạo ra vật thể nên không có sự hỗ trợ của các kết cấu khác trong quá trình tạo vật mẫu. Sau khi lấy vật ra khỏi bể chứa, các phần không cần thiết sẽ được loại bỏ bằng dụng cụ cắt gọt, mài, xử lý bằng cồn… làm khô tự nhiên hoặc sử dụng ống thổi khí. Do đó, phương pháp này khá tốn thời gian, đắt tiền, chỉ dành cho nhựa và polymer nên giới hạn loại vật liệu, cần thiết kế thêm cấu trúc hỗ trợ đủ cứng cho sản phẩm.

Các công nghệ trong phương pháp này gồm: Stereolithography Apparatus (SLA), Digital Light Processing (DLP), Scan-Spin and Selectively Photocure  (3SP), Continuous Liquid Interface Production (CLIP). Dưới đây sẽ giới thiệu công nghệ SLA, một công nghệ đặc trưng của phương pháp này.

Công nghệ SLA (Stereolithography Apparatus):

SLA là công nghệ sử dụng tia sáng (tia laser, tia UV hoặc tia sáng bình thường) làm đông cứng lớp photopolymer lỏng (polymer quang hóa – polymer đóng rắn khi có ánh sáng chiếu vào) được chứa trong bồn theo từng lớp để hình thành nên vật thể 3D (hình 3).

 

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý công nghệ SLA

Viết tắt

SLA

Loại vật liệu

Lỏng

Nguyên vật liệu

Nhựa quang hóa

Độ dày nhỏ nhất của lớp

0.02mm

Bề mặt sau khi in

Nhẵn

Tốc độ in

Trung bình

 

Ưu điểm của phương pháp SLA:

• Hệ thống cứng vững và hoàn toàn tự động.
• Độ chính xác kích thước cao (±0.1 mm), độ nhẵn bề mặt cao.
• Độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp.

Nhược điểm của phương pháp SLA:

• Sản phẩm dễ bị cong vênh.
• Giá thành khá cao.
• Vật liệu sử dụng bị hạn chế.
• Phải qua giai đoạn hậu xử lý.
• Chi phí vận hành và bảo trì cao.

4.2.Phương pháp Powder Bed Fusion

Bột vật liệu được trải lần lượt thành từng lớp nhờ con lăn, được nâng lên hạ xuống nhờ piston và chúng được liên kết lại với nhau sau khi tia laser hoặc chùm tia điện tử chiếu qua. Nguồn nhiệt có thể đi qua hệ thống lăng kính hoặc trực tiếp đến bề mặt lớp bột. Sau khi lấy vật ra khỏi lớp bột, các phần không cần thiết sẽ được loại bỏ, vật phẩm có thể được gia công xử lý thêm để đạt yêu cầu. Bột chưa liên kết được sử dụng lại. Hình 4 minh họa sơ đồ nguyên lý của phương pháp này.

Hình 4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Powder Bed Fusion

(Nguồn: enggtechnique.com)

 

Phương pháp này sử dụng được nhiều loại vật liệu như kim loại, nhựa, ceramic, cát ở dạng bột. Bột vật liệu đóng vai trò làm cấu trúc hỗ trợ nhưng đối với các một số công nghệ khác vẫn cần thêm cấu trúc hỗ trợ cứng khác. Ngoài ra, do hạn chế về kích thước, phương pháp này rất thích hợp để chế tạo các mô hình trực quan và nguyên mẫu với kích thước nhỏ. Bên cạnh đó, môi trường chân không là yêu cầu đầu tiên và quan trọng để tạo sản phẩm. Mặc dù độ chính xác, tính linh hoạt cao nhưng tốc độ tạo hình thấp. Giá thành tương đối cao, đặc biệt đối với máy in kim loại.

Các công nghệ trong phương pháp này gồm: Selective laser sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Electron Beam Melting (EBM), Multi-Jet Fusion (MJF), Selective Heat Sintering  (SHS).

Công nghệ SLS (Selective laser sintering) (hình 5):

Công nghệ SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một tang định mức. Sau đó, tia laser hóa rắn phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc.

Hình 5. Sơ đồ nguyên lý công nghệ SLS

Viết tắt

SLS

Loại vật liệu

Bột

Nguyên vật liệu

Thermoplastics: Nylon, Polyamide and Polystyrene, Elastomers, Composites

Độ dày nhỏ nhất của lớp

0.1mm

Bề mặt sau khi in

Trung bình

Tốc độ in

Nhanh

 

Ưu điểm:

• Quá trình tạo mẫu nhanh.
• Vật liệu đa dạng.
• Vật liệu an toàn.
• Không cần cơ cấu hỗ trợ.
• Giảm sự biến dạng do ứng suất.
• Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý (chỉ cần phun cát).
• Có thể chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết.

Nhược điểm:

• Bề mặt khá thô.
• Lớp đầu tiên có thể đòi hỏi một đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt.
• Mật độ chi tiết có độ đồng nhất không cao.

Công nghệ DMLS (Direct Metal Laser Sintering) (hình 6):

Công nghệ DMLS được phát triển bởi Rapid Prototyping Innnovations (RPI) và EOS năm 1994. Thiêu kết kim loại trực tiếp (DMLS) làm nóng chảy kim loại nguyên liệu dạng bột với laser công suất cao để sản xuất các chi tiết kim loại. Tia laser sẽ được chiếu ngang qua một thùng bột vật liệu được nén chặt, dựa trên thông tin vị trí cung cấp từ dữ liệu 3D của sản phẩm theo 2 trục X và Y. Khi laser tương tác với bề mặt của vật liệu bột, nó sẽ thiêu kết, liên kết các hạt bột lại vào nhau để tạo thành dạng rắn. Sau khi mỗi lớp được hoàn thành, thùng bột sẽ hạ xuống và một thiết bị cán sẽ chạy ngang qua làm mịn bề mặt trước khi tia laser dành cho lớp tiếp theo được chiếu xuống. Cứ như vậy từng lớp vật liệu sẽ được thành hình và liên kết lại với nhau.

 

Hình 6. Sơ đồ nguyên lý công nghệ DMLS

Viết tắt

DMLS

Loại vật liệu

Bột(kim loại)

Nguyên vật liệu

Hầu hết các kim loại: Nhôm, titan, coban …

Độ dày nhỏ nhất của lớp

0.02mm

Bề mặt sau khi in

Trung bình

Tốc độ in

Nhanh

 

Ưu điểm:

• Độ chính xác cao do mỗi lớp chỉ dày khoảng 0.02mm.

• Cho phép tạo ra các dạng hình học rất phức tạp, do đó tiết kiệm được chi phí lắp ráp.

• Làm việc được với hầu hết kim loại và hợp kim.
• Tốc độ nhanh.

Nhược điểm:

• Mẫu có kích thước nhỏ.
• Việc xử lí sau in tốn nhiều thời gian.
• Do in theo lớp nên độ bền theo phương Z chưa tốt.

Công nghệ EBM (Electron Beam Melting) (hình 7):

Trong công nghệ EBM, một chùm tia điện tử (được máy tính điều khiển) được sử dụng trong chân không để làm chảy hoàn toàn bột kim loại ở nhiệt độ cao. Đây là loại máy in 3D có thể sử dụng kim loại như titan tinh khiết, Inconel 718, Inconel 625 để chế tạo phụ tùng ngành hàng không vũ trụ và cấy ghép y tế.

 

Hình 7. Sơ đồ nguyên lý công nghệ EBM

4.3.Phương pháp Binder Jetting

Được biết đến là 3D Printing (3DP), phương pháp này sử dụng hai vật liệu: vật liệu dạng bột và chất kết dính. Chất kết dính  giúp các hạt bột liên kết với nhau và thường ở dạng lỏng. Đầu phun di chuyển theo chiều ngang dọc theo trục x và trục của máy và phun chất kết dính giữa các lớp bột.

Hình 8. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Binder Jetting

(Nguồn: enggtechnique.com)

 

Nhựa, kim loại, gốm, thủy tinh và cát đều có thể sử dụng trong phương pháp này. Đặc biệt có thể in màu, tạo sản phẩm với số lượng lớn. Do bản chất là kết dính, các đặc tính của vật liệu không phải lúc nào cũng phù hợp với các cấu trúc hỗ trợ, mặc dù tốc độ in tương đối cao, việc xử lý sau khi in có thể làm tăng thêm thời gian cho quá trình tổng thể.

 

 

Viết tắt

3PD

Loại vật liệu

Bột

Nguyên vật liệu

Kim loại, nhựa, composite, ceramic …

Độ dày nhỏ nhất của lớp

0.05mm

Bề mặt sau khi in

Thô

Tốc độ in

Rất nhanh

 

Ưu điểm:    

• Tốc độ hình thành sản phẩm rất nhanh, có thể gấp 5-10 lần so với công nghệ khác.

• Chi phi đầu tư thấp, chi phí nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp.
• Đa dạng về vật liệu chế tạo và các ứng dụng.
• Có thể in các vật có cấu tạo hình học phức tạp mà không cần giá đỡ.
• Dễ chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng.
• Cho phép chế tạo các sản phẩm đa dạng từ các vật liệu khác nhau, màu sắc khác nhau, khối lượng và kích thước với các tỷ lệ khác nhau so với chi tiết hoặc sản phẩm thật.

 Nhược điểm:

• Cơ tính thấp do sự liên kết yếu của các lớp .
• Bột in cần phải lấp đầy khuôn vì vậy phải làm sạch chi tiết sau khi in.
• Chỉ có thể in trong một vật liệu tại một thời điểm.
• Độ mịn hạt và độ chính xác chưa cao.
• Cần phải thiêu kết để đảm bảo cơ tính của mẫu.

4.4.Phương pháp Material Jetting

Trong phương pháp này, vật liệu được phun lên bề mặt tấm đế dưới dạng giọt, lắng đọng và đông cứng nhờ tia UV theo từng lớp cho đến khi tạo thành vật. Các máy in khác nhau sẽ có độ phức tạp và cách kiểm soát sự lắng đọng khác nhau đối với từng loại vật liệu.

Phương pháp này có độ chính xác cao, không hao phí nguyên liệu, kết hợp việc tạo màu trên sản phẩm với nhiều phần độc lập với nhau. Vật liệu chỉ có thể là polymer, sáp do tính chất nhớt và khả năng hình thành giọt của chúng ảnh hưởng đến quá trình tạo ra sản phẩm. Ngoài ra, phải có các kết cấu hỗ trợ nếu cần thiết.

Hình 9. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Material Jetting

(Nguồn: enggtechnique.com)

4.5.Phương pháp Sheet Lamination

Vật liệu ở dạng tấm mỏng được chồng và gắn lại với nhau nhờ chất kết dính (đối với giấy, nhựa) hoặc hàn (đối với kim loại). Các phần không cần thiết bị phá hủy và loại bỏ trong quá trình tạo sản phẩm. Nguồn nhiệt không cần cao vì kim loại không yêu cầu phải nóng chảy.

Hình 10. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Sheet Lamination

(Nguồn: enggtechnique.com)

 

Ưu điểm của phương pháp là chi phí thấp, dễ xử lý vật liệu, tốc độ nhanh, cho phép sử dụng nhiều loại kim loại với nhau. Yêu cầu phải xử lý sau khi tạo thành sản phẩm để đạt yêu cầu mong muốn. Phương pháp này phổ biến, hiệu quả  đối với giấy, nhựa hơn là kim loại. Nó đang được nghiên cứu nhiều hơn để tạo tính đa dạng vật liệu.

Các công nghệ trong phương pháp này gồm: Laminated Deposition Manufacture (LOM), Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM), Selective Deposition Lamination (SDL).

Công nghệ LOM (Laminate Object Manufacturing):

Công nghệ này dùng vật liệu dạng tấm có phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng có thể dùng tấm nhựa, tấm kim loại …). Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng cách cắt tấm vật liệu theo đường biên của mặt cắt vật thể. Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt.

 

Hình 11. Sơ đồ công nghệ LOM

Viết tắt

LOM

Loại vật liệu

Rắn (dạng tấm)

Nguyên vật liệu

Nhựa nhiệt dẻo, giấy, lá kim loại, composite, ceramic …

Độ dày nhỏ nhất của lớp

0.05mm

Bề mặt sau khi in

Thô

Tốc độ in

Nhanh

 

Ưu điểm:

• Vật liệu đa dạng, rẻ tiền. Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm.
• Độ chính xác khá cao.
• Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn, có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu.
• Không cần kết cấu hỗ trợ.
• Tốc độ cao, nhanh hơn các phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia laser không cắt toàn bộ diện tích mà chỉ quét theo chu vi bên ngoài.
• Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút của vật liệu.
• Không độc hại và ô nhiễm môi trường.

Nhược điểm:
–     Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn.

• Độ bóng bề mặt không cao.
• Không thu hồi được vật liệu thừa
• Sản phẩm dễ cong vênh

4.6.Phương pháp Material Extrusion

Đây là quá trình đùn ép vật liệu thành giọt qua một vòi phun, vật liệu dạng sợi hoặc chất lỏng được làm nóng và sau đó lắng đọng theo từng lớp. Là một kỹ thuật thường được sử dụng trên nhiều máy in 3D rẻ tiền.

Hình 12. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Material Extrusion

(Nguồn: enggtechnique.com)

 

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm nhưng phương pháp này có tiềm năng lớn khi kiểm soát thành công các yếu tố ảnh hưởng đó. Chẳng hạn như áp suất phải được giữ ổn định và ở tốc độ không đổi để có kết quả chính xác. Các lớp vật liệu có thể được liên kết bằng cách kiểm soát nhiệt độ hoặc thông qua việc sử dụng các tác nhân hóa học.

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi và tiết kiệm nhất. Sử dụng cho việc in màu, nhất là trong văn phòng, đặc tính sản phẩm tốt và dễ dàng tiếp cận. Nhưng bán kính vòi phun bị giới hạn nên ảnh hưởng đến độ chính xác của phần cuối vật phẩm, tốc độ còn thấp so với các phương pháp khác. Sử dụng cho vật liệu nhựa.       

Các công nghệ trong phương pháp này gồm: Fused Filament Fabrication (FFF), Fused Deposition Modeling (FDM).

Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling):

Quá trình in mẫu được thực hiện bằng cách kéo dài nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết đặc. Trong công nghệ này, một sợi nhựa mảnh, được dẫn từ một cuộn tới đầu chuyển động điều khiển bằng động cơ servo. Khi sợi này tới đầu dò nó được nung chảy nhờ nhiệt, sau đó được đẩy ra qua vòi phun lên mặt chi tiết.

 

Viết tắt

FDM

Loại vật liệu

Chất rắn

Nguyên vật liệu

ABS, Polycarbonate, Polyphenylsulfonite, Elastomers

Độ dày nhỏ nhất của lớp

0.15mm

Bề mặt sau khi in

Thô

Tốc độ in

Chậm

 

Hình 13. Sơ đồ nguyên lý công nghệ FDM

Ưu điểm: 

• Sử dụng các vật liệu nhựa ABS với các sự lựa chọn màu sắc khác nhau.
• Chi phí bảo dưỡng thấp..
• Vật liệu in không độc hại
• Không cần sự giám sát trong quá trình in.
• Các mẫu in bằng công nghệ FDM độ bền tốt, có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập lớn.

Nhược điểm:

• Tạo ra các lớp in dày hơn so với công nghệ Polyjet vì vậy công nghệ này thường ít được sử dụng cho việc tạo mẫu yêu cầu độ chính xác cao. Bề mặt nhẵn của mẫu in bằng FDM có thể đạt được bằng cách xử lý mẫu bằng tay

4.7. Phương pháp Directed Energy Deposition

Đây là phương pháp phức tạp được sử dụng để sửa chữa hoặc bổ sung vật liệu. Một máy in theo phương pháp này bao gồm một vòi phun được gắn trên một cánh tay nhiều trục, đưa các vật liệu nóng chảy lên bề mặt yêu cầu và đông lại. Quá trình thực hiện tương tự về nguyên lý đùn ép vật liệu, nhưng vòi phun có thể di chuyển theo nhiều hướng và không được cố định vào một trục cụ thể. Vật liệu được lắng đọng, tan chảy bằng chùm tia laser hoặc electron. Vật liệu sử dụng là kim loại, ceramic ở dạng bột hoặc dây.

Hình 14. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Directed Energy Deposition

(Nguồn: enggtechnique.com)

 

Phương pháp này nổi bật với sự không giới hạn góc làm việc, sửa chữa rất hiệu quả, tốc độ nhanh. Tuy nhiên độ hoàn thiện có thể khác nhau tùy thuộc vào vật liệu, có thể yêu cầu xử lý thêm để đạt được hiệu quả mong muốn.

Các công nghệ trong phương pháp này gồm: Laser Metal Deposition (LMD), Direct Metal Deposition (DMD)…

5. Ứng dụng in 3D trong sản xuất đúc

Hiện nay, công nghệ in 3D có thể được ứng dụng ở hầu hết các nguyên công trong sản xuất đúc. Hình 15 trình bày một số công nghệ in 3D có thể hỗ trợ trong sản xuất đúc ở các nguyên công khác nhau.

Hình 15. Ứng dụng của công nghệ in 3D trong các nguyên công đúc khác nhau

(Nguồn: China Foundry Report)

5.1.Tạo mẫu thử, mẫu đúc và hộp ruột

Ở giai đoạn đầu, những máy in 3D  tạo ra những mẫu thử để xác định thiết kế này có đáp ứng được yêu cầu của khách hàng hay không.

 

 

Hình 16. Tạo mẫu thử bằng cách in 3D

(Nguồn: PRweb.com)

Hình 17. Mẫu đúc được in bằng công nghệ 3D

 

Các công nghệ in 3D như FDM, SLA … giúp tạo mẫu thử, mẫu và hộp ruột … cho bước đầu tiên của quá trình đúc.

Ví dụ như việc tạo ra mẫu sáp cho phương pháp  đúc trong khuôn mẫu chảy được thực hiện một cách dễ dàng, nhanh chóng và đơn giản hơn nhờ các công nghệ in 3D SLA hay FDM.

Theo phương pháp đúc khuôn mẫu chảy truyền thống, việc chế tạo một vật đúc bao gồm khá nhiều công đoạn nên năng suất không cao, giá thành tương đối cao nên thường chỉ phù hợp khi sản lượng đúc đủ lớn để đủ khấu hao khuôn ép mẫu sáp. Tạo mẫu sáp trong khuôn mẫu chảy bằng công nghệ SLA được giới thiệu vào năm 1993 và đã được sử dụng để đúc nhiều loại kim loại khác nhau. Lợi thế chính của SLA là việc tạo ra các mẫu sáp phức tạp với thành mỏng. Công nghệ FDM cũng đã được sử dụng để tạo ra các mẫu đúc bằng sáp. Các mẫu đúc bằng sáp cũng có thể được sản xuất  bởi các công nghệ như DodJet, Solidscape và  ProJet của công ty 3D Systems.

Hình 18.  Quy trình chung của đúc trong khuôn mẫu chảy có sử dụng công nghệ in 3D

(Nguồn:i.materialise.com)

 

Sự hỗ trợ của in 3D đã giúp tiết kiệm thời gian, có thể sản xuất với sản lượng nhỏ, dễ dàng tạo mẫu mới nếu trong quá trình thực hiện có xảy ra lỗi hoặc sai sót, không cần tốn nhiều thời gian để chờ chế tạo lại khuôn ép sáp. Bên cạnh đó, độ chính xác cao, không tốn nhiều nhân công, công cụ hỗ trợ, phù hợp mọi kiểu dáng từ đơn giản đến phức tạp.

Hình 19. Mẫu sáp trong đúc khuôn mẫu chảy được tạo bằng công nghệ SLA

(Nguồn: 3dprint.com)

Các công nghệ in 3D SLA, FDM hiện nay cũng đã được sử dụng phổ biến để in mẫu sáp cho công nghệ đúc mẫu chảy li tâm cho ngành kim hoàn (hình 20).

Công nghệ in 3D cũng có thể sử dụng để hỗ trợ cho phương pháp đúc trong khuôn mẫu chảy bằng cách chế tạo nhanh khuôn ép mẫu sáp (hình 21).

 

 

Hình 20. Ứng dụng in 3D trong ngành công nghiệp kim hoàn.

(Nguồn: MAYIN3DVIETNAM)

 

Hình 21. Khuôn ép sáp và mẫu sáp trong đúc khuôn mẫu chảy được tạo bằng công nghệ SLA, FDM, LOM

(Nguồn: researchgate.net)

 

Vào năm 1990, công nghệ LOM đã được sử dụng để tạo ra những mẫu đúc bằng các lớp giấy cho các hộp xilanh và một vài vật đúc trong ô tô.

Công nghệ LOM cũng được sử dụng để tạo ra các mẫu cho khuôn silicon và khuôn phun sáp trong đúc khuôn mẫu chảy.

Ngoài ra, bằng các công nghệ SLA, SDM, LOM có thể chế tạo ra mẫu và từ đó chế tạo ra hộp ruột silicon để chế tạo ra mẫu đúc bằng các loại nhựa khác nhau (hình 22).

 

Hình 22. Hộp ruột silicon  và mẫu làm từ nhiều vật liệu khác nhau, được tạo bằng công nghệ SLA, FDM, LOM.

(Nguồn: researchgate.net)

5.2.Chế tạo khuôn, vỏ khuôn và ruột cát

Một bước tiến lớn trong ngành đúc là đã sử dụng các công nghệ in 3D để chế tạo khuôn cát. Thí dụ, công nghệ SLS đã được sử dụng để tạo khuôn cát  hoặc ruột cát trực tiếp bằng cách sử dụng cát-nhựa. Đầu tiên, cát- nhựa được rải  một lớp trên nền, sau đó một chùm laser chọn lọc làm nóng chảy màng nhựa và làm cho các hạt cát kết dính lên nhau. Sau nhiều lớp, ruột hoặc khuôn hình thành. Thông thường, cát thạch anh được sử dụng trong SLS để tạo khuôn hoặc ruột. Các loại cát Al2O3, zircon và cát gốm nhân tạo (Baozhu) cũng được thử nghiệm để cải thiện tính chất của khuôn hoặc ruột. Lượng nhựa sử dụng thường nhiều hơn một chút so với phương pháp đúc truyền thống do có sự cháy nhẹ nhựa trong quá trình thiêu kết laser và dòng chất kết dính không điền đầy do tốc độ di chuyển cao.

Phương pháp 3DP cũng đã được sử dụng cho việc làm ruột cát và tạo khuôn. Đầu tiên, cát sạch được quét một lớp trên nền, sau đó một vòi phun di chuyển trên lớp cát này, phun nhựa liên kết, chuyển động của nó được kiểm soát theo hình dạng của các phần từ mô hình 2D. Khu vực cát nhận chất kết dính sẽ được liên kết lại. Thời gian cài đặt của lớp nhựa được kiểm soát đúng trước khi lớp tiếp theo bắt đầu. Cuối cùng, khuôn cát hoặc ruột cát đã được định hình được đưa ra và đưa vào lò để xử lý tiếp theo.

Hình 23. Khuôn cát-nhựa được tạo bằng công nghệ SLS

(Nguồn: shining3d.com)

Hình 24. Khuôn và lõi cát được tạo bằng công nghệ 3DP

(Nguồn: humtown.com)

 

Đối với công nghệ in khuôn cát, ruột cát 3DP, để nâng cao hiệu quả, các vòi phun có thể được tích hợp. Ví dụ, máy in ExOne 3DP tích hợp hàng ngàn vòi phun. Vì vậy, các bước của nó có kích thước khác nhau từ micromet  đến vài milimet. Công nghệ vòi phun đã phát triển qua nhiều năm với công nghệ in, vì vậy nó rất thuận tiện cho việc áp dụng công nghệ này trong việc in ruột cát.

ExOne và Voxeljet, công nghệ ProMetal RCT, phương pháp 3DP-ZCast là các thương hiệu máy in thương mại 3D dành cho ruôt cát hoặc khuôn cát. Hiện tại, kích thước khuôn, ruột có thể chế tạo trên các máy in loại này lên tới 4.000 mm × 2.000 mm x 1.000 mm. Thời gian in cho một bộ ruột của khối 4 xi lanh (hình 25) trên máy in 3D 4000 mm x 1.000 mm chỉ mất 10 giờ.

 

  

Hình 25. Khối 4 xilanh và bộ ruột in

(Nguồn: The3dStudio.com)