In 3D kim loại: tia laser nung chảy bột kim loại từng lớp

In 3D kim loại phổ biến nhất hiện nay hoạt động bằng cách rải một lớp bột kim loại mỏng chỉ vài chục micromét, dùng tia laser nung chảy đúng phần tiết diện của chi tiết ở lớp đó, hạ bàn xuống, rải lớp bột mới rồi lặp lại hàng nghìn lần cho tới khi chi tiết hoàn chỉnh. Mỗi lớp là một vũng kim loại lỏng tí hon đông đặc trong tích tắc, hàn liền với lớp bên dưới. Cách này làm được những hình mà đúc và gia công đều bó tay, như lưới rỗng bên trong, kênh làm mát uốn lượn, hay gộp nhiều chi tiết thành một.

In 3D kim loại bằng laser hoạt động ra sao?

Tên kỹ thuật của phương pháp này là nung chảy lớp bột bằng laser. Bên trong máy là một buồng kín, đầy khí trơ argon hoặc nitơ để bột kim loại nóng không bị ôxy hoá. Quy trình một lớp diễn ra như sau:

1. Rải bột: một lưỡi gạt hoặc trục lăn rải lớp bột dày khoảng 20–60 micromét lên tấm nền kim loại. Hạt bột thường cỡ vài chục micromét, gần tròn đều để chảy và xếp chặt.
2. Quét laser: gương quay điều khiển một hoặc nhiều tia laser công suất vài trăm watt trở lên quét theo hình tiết diện của lớp. Nơi tia đi qua, bột chảy thành vũng lỏng rộng chừng một phần mười milimét rồi đông ngay.
3. Hạ bàn: tấm nền hạ xuống đúng bằng một chiều dày lớp, và chu trình lặp lại.

Một chi tiết cao 10 cm có thể cần vài nghìn lớp và mất từ nhiều giờ tới vài ngày. Khi in xong, chi tiết nằm vùi trong khối bột chưa chảy; bột này được hút ra, sàng lọc và phần lớn dùng lại.

Vì mỗi vũng chảy rất nhỏ và nguội cực nhanh, tổ chức kim loại in 3D thường có hạt rất mịn, đôi khi bền hơn vật đúc cùng mác. Đổi lại, các lớp nóng lạnh liên tục để lại ứng suất dư lớn, có thể làm chi tiết cong vênh hoặc bong khỏi tấm nền nếu không có kết cấu chống đỡ được in kèm.

Có những công nghệ in 3D kim loại nào khác?

Kiểu đắp bằng hồ quang và dây hàn về bản chất là một rô bốt hàn đắp từng lớp, làm được chi tiết dài nhiều mét như chân vịt tàu hay khung lớn, nhưng bề mặt thô và cần gia công nhiều.

Chi tiết lưới rỗng là gì và vì sao chỉ in 3D làm được?

Lưới rỗng là cấu trúc bên trong gồm vô số thanh mảnh hoặc vách cong nối với nhau theo một quy luật, giống tổ ong hay khung xương chim. Nó giữ được độ cứng cần thiết mà chỉ dùng một phần nhỏ vật liệu. Không khuôn nào rút ra được khỏi một mạng lưới kín như vậy, và không dao cắt nào luồn vào được. In 3D thì không quan tâm hình bên trong phức tạp tới đâu: nó chỉ vẽ từng lát cắt.

Ba ứng dụng tiêu biểu:

• Cấy ghép chỉnh hình: ổ cối khớp háng hay miếng ghép cột sống bằng titan có bề mặt lưới xốp, lỗ cỡ vài trăm micromét, để xương mọc len vào và bám chắc.
• Hàng không vũ trụ: giá đỡ được tối ưu hình dạng bằng phần mềm, bỏ vật liệu ở chỗ không chịu lực, nhẹ hơn nhiều so với bản phay từ khối đặc. Một vòi phun nhiên liệu của động cơ phản lực thương mại nổi tiếng vì gộp khoảng hai mươi chi tiết hàn ghép thành một chi tiết in liền.
• Khuôn có kênh làm mát bám theo hình: chèn khuôn ép nhựa hoặc khuôn đúc áp lực in 3D có đường nước uốn sát mặt khuôn, làm nguội đều hơn kênh khoan thẳng, rút ngắn chu kỳ và giảm cong vênh sản phẩm.

In 3D kim loại liên quan gì tới nghề đúc?

In 3D không chỉ cạnh tranh với đúc mà còn giúp xưởng đúc. Hai cách kết hợp hay gặp:

• In khuôn và lõi cát: máy phun chất dính lên lớp cát, in trực tiếp khuôn và lõi mà không cần mẫu gỗ hay hộp lõi. Rất hợp để đúc thử, đúc chi tiết thay thế cho máy cũ đã mất bản vẽ khuôn, hay làm lõi có hình quá phức tạp cho cách làm thường.
• In mẫu cho đúc mẫu chảy: in mẫu bằng nhựa hoặc sáp rồi bọc vỏ gốm như thường, khỏi phải làm khuôn ép sáp đắt tiền khi chỉ cần vài chiếc.

Như vậy, nhiều chi tiết "in 3D" thực ra vẫn là kim loại đúc, chỉ có khuôn hoặc mẫu được in.

Khi nào in 3D thay được đúc và khi nào không?

Những điểm yếu hiện tại của in 3D kim loại: tốc độ tạo hình chậm, máy và bột đắt, bề mặt thô hơn gia công (cần mài hoặc phay lại ở mặt lắp), kích thước giới hạn bởi buồng máy, và tính chất có thể khác nhau theo hướng in. Vì vậy hai công nghệ sống song song: in 3D cho cái khó và cái ít, đúc cho cái nhiều và cái lớn.

Sau khi in, chi tiết kim loại còn qua những bước nào?

1. Khử ứng suất: nung cả tấm nền mang chi tiết trong lò để giảm ứng suất dư trước khi tách.
2. Tách khỏi tấm nền: cắt bằng máy cắt dây hoặc cưa vòng.
3. Bỏ kết cấu chống đỡ: bẻ, cắt, mài các cột chống in kèm.
4. Ép nóng đẳng tĩnh với chi tiết quan trọng: nung trong khí argon áp suất rất cao để bóp kín các lỗ rỗng nhỏ còn sót.
5. Gia công tinh và làm bóng: phay, tiện mặt lắp ghép, mài bóng, phun bi.
6. Kiểm tra: chụp cắt lớp để tìm lỗ rỗng và kiểm kênh bên trong, đo kích thước, thử cơ tính trên mẫu in kèm.

Làm việc với bột kim loại có nguy hiểm không?

Có, và đây là điểm người ngoài ít ngờ tới. Bột kim loại mịn khác hẳn khối kim loại: bột nhôm, titan, magie lơ lửng trong không khí có thể bắt cháy hoặc nổ bụi khi gặp tia lửa, kể cả tia lửa tĩnh điện. Bột cũng là bụi hô hấp, một số loại như bột niken, coban có thể gây dị ứng và hại phổi. Vì thế khu vực máy in kim loại có quy trình nghiêm ngặt: nối đất chống tĩnh điện, máy hút bụi chống cháy nổ chuyên dụng, thao tác bột trong tủ găng hoặc trạm kín, mặt nạ lọc bụi, quần áo chống tĩnh điện. Bột đã qua sử dụng được xử lý như chất thải nguy hại. Cháy bột kim loại không dập bằng nước; xưởng dùng chất dập chuyên dụng cho đám cháy kim loại và báo 114 khi cần.