1. Đặc tính và hạn chế của vật liệu
Mặc dù hợp kim nhôm khá phổ biến nhưng gây nhiều khó khăn trong quá trình in 3D, nhưng vật liệu thường được sử dụng trong in 3D kim loại là hợp kim titan, hợp kim nhiệt độ cao và hợp kim đồng. Khả năng hấp thụ tia laser thấp và độ dẫn nhiệt lớn của hợp kim nhôm gây ra tổn thất năng lượng đáng kể và hiệu quả tạo hình thấp. Hơn nữa, hợp kim nhôm dễ bị biến dạng và tích tụ ứng suất trong quá trình lắng đọng laser; do đó, các bước phòng ngừa tiếp theo phải được thực hiện để ngăn chặn hiện tượng nứt bộ phận.
Khó loại bỏ và ảnh hưởng đến chất lượng của các thành phần, hợp kim nhôm cũng dễ phản ứng với oxy trong quá trình lắng đọng trực tiếp bằng laser tạo thành điểm nóng chảy cao Al ₂ O ∙. Các nguyên tố hợp kim có điểm sôi thấp (như Zn và Si) trong hợp kim nhôm dễ bị cháy trong quá trình lắng đọng laser, làm thay đổi thành phần hợp kim và do đó ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và đặc tính của các thành phần. Giới hạn của những chất lượng vật liệu này hạn chế việc sử dụng hợp kim nhôm trong in 3D các bộ phận của tàu vũ trụ.
2. Hạn chế của phương pháp sản xuất
Hơn nữa, bản thân in 3D kim loại cũng có một số hạn chế trong quá trình sản xuất. Ví dụ, một trong những công nghệ in 3D kim loại được sử dụng thường xuyên nhất là công nghệ Laser Powder Bed Melting (L-PBF) có hiệu quả sản xuất khá thấp, đặc biệt là trong các hoạt động xử lý hậu kỳ liên quan đến các chi tiết hình học phức tạp. Trong quá trình gia công CNC, việc xác định và kẹp càng khó thì hình dạng hình học của phôi càng phức tạp, do đó làm tăng chi phí sản xuất và thời gian liên quan.
Ngoài ra, trong quá trình in 3D kim loại còn có khói và tia bắn, có thể ảnh hưởng đến khả năng tái sử dụng bột và tăng chi phí sản xuất. Hiệu suất và chất lượng của thành phẩm bị ảnh hưởng nhiều bởi các hoạt động xử lý sau bao gồm loại bỏ hạt, xử lý nhiệt, gia công và đánh bóng bề mặt. Đặc biệt đối với các bộ phận có cấu trúc phức tạp được tạo ra bởi quá trình nấu chảy lớp bột, rất ít kỹ thuật tháo dỡ hỗ trợ quy trình và kìm thường được sử dụng để tháo dỡ, điều này làm tăng nguy cơ biến dạng và hư hỏng các bộ phận và làm phức tạp thêm việc đảm bảo tính nhất quán về chất lượng.
3. Hướng dẫn và khó khăn trong hoạt động thể chất
Mật độ thấp, mô đun đàn hồi lớn, độ bền cao và độ dẻo dai cao xác định các tiêu chuẩn hiệu suất vật lý rất cao cho các bộ phận của tàu vũ trụ. Các tiêu chí này hạn chế phương pháp thiết kế và lựa chọn vật liệu in 3D kim loại. Ví dụ, mặc dù hợp kim nhôm có mật độ thấp nhưng những hạn chế về mặt vật lý trong quá trình in 3D khiến việc đáp ứng các tiêu chí về độ bền cao và độ dẻo dai cao trở nên khó khăn.
Hơn nữa, hoạt động lâu dài của các bộ phận tàu vũ trụ trên quỹ đạo đòi hỏi các điều kiện môi trường khắc nghiệt bao gồm nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, chân không và bức xạ. Những yếu tố môi trường này đặt ra những kỳ vọng khá cao về sự ổn định của vật liệu. Những thay đổi trong cấu trúc vi mô và thành phần pha của vật liệu có thể xảy ra do in 3D kim loại, do đó ảnh hưởng đến độ ổn định và độ tin cậy lâu dài của vật liệu.
4. Mối quan tâm về chứng nhận kỹ thuật và mức độ trưởng thành
Mặc dù công nghệ in 3D kim loại có khả năng sử dụng rộng rãi trong thiết kế các thành phần tàu vũ trụ nhưng sự phát triển công nghệ của nó vẫn cần phải được nâng cao. Việc thiếu chứng nhận khiến nhiều hợp kim sản xuất bồi đắp trở thành thách thức đối với lĩnh vực hàng không vũ trụ. Thủ tục chứng nhận đưa ra những thách thức đối với sự tiến bộ và sử dụng các công nghệ mới vì nó đòi hỏi thời gian và nhiều dữ liệu thử nghiệm để hỗ trợ.
Đồng thời, việc lựa chọn kỹ thuật in 3D kim loại là một việc khó khăn. Các yếu tố thiết kế, đầu vào của quy trình, hạn chế của quy trình, mối quan tâm về luyện kim và hình học cùng với các yếu tố khác đều phải được tính đến. Những yếu tố này tương tác với nhau để làm phức tạp và thách thức sự lựa chọn quy trình.
5. Định hướng phát triển trong tương lai
Mặc dù in 3D kim loại có một số hạn chế về mặt vật lý nhưng khả năng ứng dụng của nó trong thiết kế các thành phần tàu vũ trụ vẫn còn khá rộng. Sau đây có thể là một phần của định hướng phát triển trong tương lai:
Phát triển vật liệu mới: Tạo ra vật liệu mới phù hợp hơn cho in 3D, bao gồm hợp kim titan, hợp kim nhiệt độ cao và hợp kim nhôm hiệu suất cao. Chất lượng vật lý và quá trình xử lý tuyệt vời của những vật liệu mới này sẽ giúp đáp ứng nhu cầu khắt khe của các bộ phận tàu vũ trụ.
Cải tiến quy trình: Việc nâng cao kỹ thuật in 3D hiện tại sẽ giúp nâng cao chất lượng linh kiện và hiệu quả sản xuất. Ví dụ, hiệu quả tạo hình và hiệu suất của các bộ phận có thể được nâng lên bằng cách tối đa hóa các thông số laser, đặc tính bột và kỹ thuật xử lý sau.
Chứng nhận kỹ thuật là Thiết lập một hệ thống và tiêu chuẩn chứng nhận hoàn chỉnh, từ đó tăng cường nỗ lực chứng nhận cho công nghệ in 3D kim loại. Điều này sẽ hỗ trợ việc triển khai và phổ biến các công nghệ mới trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.
Tăng cường hợp tác đa ngành trong các lĩnh vực bao gồm khoa học vật liệu, cơ khí và khoa học máy tính để cùng nhau giải quyết các hạn chế vật lý và rào cản công nghệ của in 3D kim loại trong thiết kế thành phần tàu vũ trụ.
https://www.china-3dprinting.com/metal-3d-printing/metal-3d-printed-racing-parts.html