Công nghệ chân không mới giảm 75% độ xốp trong các sản phẩm in 3D cỡ lớn

Công nghệ in 3D: Bước ngoặt của kiến trúc thế giới

Apple thử nghiệm công nghệ in 3D sản xuất Apple Watch thế hệ mới

Sáng tạo 3D hoàn hảo với NVIDIA Omniverse Enterprise

Đùn chân không được sử dụng trong sản xuất bồi đắp quy mô lớn để giảm độ xốp trong các bộ phận in. Ảnh: ORNL

Đột phá này cắt giảm tới 75% độ xốp, mở đường cho việc tạo ra các thành phần in 3D bền vững và đáng tin cậy hơn. Theo nhóm nghiên cứu, kỹ thuật này có tiềm năng biến đổi ngành sản xuất bồi đắp trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô và quốc phòng.

Sản xuất bồi đắp cỡ lớn (LFAM), một hình thức nâng cao của in 3D cho phép in trực tiếp các thành phần có kích thước mét - được sử dụng để tạo ra các bộ phận lớn, phức tạp cho nhiều ngành công nghiệp.

Mặc dù các vật liệu này cung cấp độ cứng tuyệt vời và giãn nở nhiệt thấp, việc ứng dụng rộng rãi của chúng lâu nay bị hạn chế bởi tình trạng xốp bên trong, làm giảm độ bền và độ tin cậy của các bộ phận in.

Giờ đây, nhờ kỹ thuật hỗ trợ chân không mới, các nhà nghiên cứu đã loại bỏ được khí bị mắc kẹt trong quá trình in, giảm đáng kể các khoảng trống và tạo ra các bộ phận chắc chắn, đồng nhất hơn.

Hiểu về khuyết tật độ xốp

Tiến sĩ Vipin Kumar, chuyên gia về sản xuất composite và sợi tại ORNL, giải thích rằng mặc dù vật liệu in 3D có độ cứng cao và giãn nở nhiệt thấp, tiềm năng của chúng bị hạn chế nhiều bởi độ xốp dai dẳng bên trong các đường in.

Độ xốp trong in 3D chỉ những lỗ hổng hoặc khuyết tật nhỏ bên trong vật liệu in, thường do khí bị mắc kẹt hoặc dung hợp không hoàn toàn trong quá trình in.

Những điểm yếu này có thể hoạt động như những vết nứt nhỏ trong thủy tinh, lan rộng dưới áp lực và cuối cùng làm giảm độ bền, độ bền và độ tin cậy của các thành phần quan trọng như cấy ghép y tế hoặc bộ phận hàng không vũ trụ.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã tích hợp một phễu chân không - thiết bị được sử dụng để loại bỏ không khí, hơi ẩm và khí bị mắc kẹt từ vật liệu trong quá trình sản xuất - trực tiếp vào quá trình đùn, nơi vật liệu được đun nóng đi qua vòi phun để tạo thành bộ phận in.

Kết quả ban đầu cho thấy hiệu quả của phương pháp này rất cao, giảm độ xốp tới 75%, ngay cả trong các bộ phận có hàm lượng sợi khác nhau - một yếu tố quan trọng trong sản xuất quy mô lớn khi tính nhất quán của vật liệu khó duy trì.

Hơn nữa, trong một số trường hợp, tỷ lệ lỗ rỗng bên trong giảm xuống dưới hai phần trăm, mà Kumar mô tả là một bước tiến đáng kể so với các phương pháp thông thường.

Cách mạng hóa quy trình in polymer

"Sử dụng kỹ thuật sáng tạo này, chúng tôi không chỉ giải quyết vấn đề quan trọng về độ xốp trong các bản in polymer quy mô lớn mà còn mở đường cho các vật liệu tổng hợp bền chắc hơn", Kumar giải thích trong một thông cáo báo chí.

Nhóm nghiên cứu cho rằng phương pháp hỗ trợ chân không có thể tích hợp liền mạch vào quy trình LFAM hiện có, giúp hợp lý hóa sản xuất và cải thiện chất lượng bộ phận trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, ô tô và quốc phòng.

"Đây là bước tiến lớn cho ngành công nghiệp LFAM," Kumar kết luận, giải thích cách thiết kế này khử khí vật liệu trước, đảm bảo đầu ra sạch hơn và đặc hơn.

Do hệ thống hiện tại được thiết kế cho xử lý theo lô, nhóm nghiên cứu đang tích cực làm việc để mở rộng khả năng của nó cho các ứng dụng liên tục, có thể mở rộng và cấp công nghiệp.

Họ tiết lộ đã phát triển một khái niệm đang chờ cấp bằng sáng chế để tích hợp phương pháp đùn chân không vào hệ thống lắng đọng liên tục, một bước có thể đưa công nghệ này vào môi trường sản xuất thời gian thực chính thống.

Hướng đi mới cho công nghệ in 3D quy mô lớn

Độ xốp từ lâu đã là rào cản lớn trong việc áp dụng rộng rãi công nghệ in 3D quy mô lớn. Các lỗ hổng bên trong vật liệu tạo ra những điểm yếu có thể dẫn đến hỏng hóc trong các ứng dụng chịu lực quan trọng.

Phương pháp mới của nhóm nghiên cứu ORNL tấn công trực tiếp vào gốc rễ của vấn đề thay vì chỉ giải quyết triệu chứng. Bằng cách loại bỏ khí trước khi nó có thể tạo thành các lỗ rỗng, kỹ thuật này giải quyết một thách thức kỹ thuật cơ bản đã tồn tại nhiều năm trong lĩnh vực in 3D.

Đặc biệt ấn tượng là khả năng giảm độ xốp trong các vật liệu composite có hàm lượng sợi khác nhau. Điều này mở ra triển vọng sản xuất các thành phần lớn có cấu trúc phức tạp từ nhiều loại vật liệu - một khả năng quan trọng đối với các ứng dụng cao cấp.

Chuyên gia trong ngành nhìn nhận rằng khi độ xốp giảm xuống dưới 2%, chất lượng sản phẩm đạt ngưỡng có thể chấp nhận cho nhiều ứng dụng kỹ thuật nghiêm ngặt. Mức độ này tương đương với các phương pháp sản xuất truyền thống, nhưng với lợi thế của khả năng tạo hình phức tạp mà chỉ in 3D mới có thể mang lại.

Khả năng tích hợp vào quy trình hiện có cũng rất quan trọng từ góc độ thương mại. Thay vì yêu cầu đầu tư lớn vào thiết bị mới, phương pháp này có thể áp dụng như một nâng cấp cho hệ thống sản xuất LFAM hiện tại, giảm rào cản để các doanh nghiệp áp dụng công nghệ.

Việc đang phát triển giải pháp cho quy trình liên tục cho thấy tầm nhìn dài hạn của nhóm nghiên cứu. Nếu thành công, điều này có thể đưa công nghệ từ môi trường nghiên cứu vào sản xuất công nghiệp thực tế, mở rộng phạm vi ứng dụng và tác động kinh tế của phát minh.

Theo các chuyên gia, công nghệ này có tiềm năng tạo ra tác động lớn trong ngành hàng không vũ trụ, nơi mỗi kilogram trọng lượng tiết kiệm được có giá trị rất lớn. Các thành phần nhẹ hơn, bền hơn có thể giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tăng tải trọng cho tàu vũ trụ và máy bay.

Trong ngành ô tô, công nghệ này có thể hỗ trợ xu hướng chuyển sang các phương tiện nhẹ hơn, hiệu quả hơn. Khả năng tạo ra các thành phần cấu trúc lớn, bền với độ xốp thấp mở ra những khả năng mới trong thiết kế khung gầm và thân xe.

Đối với lĩnh vực quốc phòng, độ tin cậy và độ bền vượt trội của các bộ phận in 3D có thể mang đến lợi thế chiến lược trong các ứng dụng từ khí tài quân sự đến hệ thống không người lái.

Phát minh này của ORNL minh chứng cho việc các đột phá công nghệ thường xuất phát từ việc giải quyết những thách thức cơ bản tưởng chừng như không thể vượt qua. Bằng cách tập trung vào vấn đề gốc rễ của độ xốp, các nhà nghiên cứu đã mở ra con đường mới cho sản xuất bồi đắp quy mô lớn, với tiềm năng thay đổi cách chúng ta sản xuất mọi thứ từ phụ tùng ô tô đến thành phần tàu vũ trụ.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng