In 3D (còn được gọi là sản xuất phụ gia) sản xuất các bộ phận từ các mô hình kỹ thuật số bằng cách sử dụng phương pháp từng lớp vật liệu xây dựng. In 3D được sử dụng rộng rãi để sản xuất polyme, kim loại, bê tông và hydrogel. Kim loại AM có thể sản xuất nhiều loại kim loại, nhưng nhôm AM được sử dụng để phát triển các bộ phận đặc biệt cho ngành công nghiệp hàng không và ô tô.
Đặc biệt, ngành sản xuất phụ gia kim loại được quan tâm nhiều do những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp sản xuất truyền thống như đúc, tạo hình, gia công.
Sản xuất phụ gia kim loại được sử dụng trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, dầu khí, hàng hải và ô tô do các ưu điểm như tự do thiết kế bộ phận, độ phức tạp của bộ phận, trọng lượng nhẹ, tích hợp bộ phận và thiết kế chức năng. Ngoài ra, sản xuất phụ gia là một kỹ thuật sản xuất không cần dụng cụ có thể sản xuất các vật thể kim loại dày đặc hoàn toàn với độ chính xác cao trong thời gian ngắn hơn.
Các phương pháp được sử dụng trong nhôm in 3D
Laser Powder Bed Fusion (LPBF) là phương pháp in 3D nhôm với độ hoàn thiện bề mặt cao hơn và độ chính xác cao. Quá trình bắt đầu bằng cách làm nóng chảy cục bộ vật liệu bằng cách sử dụng tia laser mạnh, sau đó tạo thành một lớp kim loại đông đặc liên tục. Trong kỹ thuật này, vật liệu và bộ phận hỗ trợ được tạo ra đồng thời và dựa trên các đặc tính của hợp kim nhôm, các thông số quá trình có thể được sửa đổi để điều chỉnh độ xốp, cấu trúc vi mô và các thuộc tính vật liệu cuối cùng.
Phản ứng tổng hợp lớp bột chùm điện tử là một phương pháp tương tự như LPBF, trong đó chùm điện tử được sử dụng để làm rắn bột kim loại. Do nhiệt độ xử lý cao của chùm điện tử, lớp đơn lớp của phần được in 3D dần dần nguội đi, dẫn đến cấu trúc vi mô thô hơn so với LPBF.
AlSi10Mg là hợp kim nhôm thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp nhôm in 3D. Ưu điểm của nó là độ bền cao, độ dẻo dai, khối lượng động, tính chất nhiệt được cải thiện và khả năng xây dựng.
AlSi7Mg là một hợp kim thép cường độ cao khác được sử dụng trong các thành phần cấu trúc trong ngành công nghiệp hàng không, quốc phòng và ô tô. Ưu điểm chính của AlSi7Mg in 3D là trọng lượng nhẹ, chống ăn mòn và khả năng chịu tải động cao.
Ngoài ra, một số nghiên cứu đã chứng minh việc in thành công Al6061 và Al7075, trước đây được coi là không tương thích với các phương pháp sản xuất phụ gia kim loại.
Nghiên cứu mới nhất về nhôm in 3D
Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Gốm sứ, các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã in gốm sứ Al2O3 phủ phốt phát nhôm bằng phương pháp viết mực trực tiếp. Phát hiện chính của họ là gốm Al2O3 có độ co ngót theo chiều cực thấp do bổ sung chất kết dính vô cơ.
Nghiên cứu gần đây đã khám phá các cấu trúc bánh sandwich nhôm tổng hợp in 3D cho ngành hàng không vũ trụ. Việc in 3D cấu trúc bánh sandwich composite có thể cải thiện tính bền vững và tính linh hoạt của sản xuất trong ngành hàng không vũ trụ.
Thêm vật liệu nano vào nhôm cũng là chủ đề nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực in 3D kim loại. Vật liệu nano đã cải thiện các tính chất cơ học và nhiệt của nhôm in 3D và sự hợp nhất của các hạt nano trong quá trình in 3D đã cải thiện hiệu suất của nhôm in 3D.
Ưu điểm của in 3D nhôm
Ưu điểm của in 3D nhôm là các đặc tính cơ học của nhôm có thể thay đổi bằng cách thay đổi cấu trúc vi mô và sự phân bố nội lực. Nghiên cứu về in 3D trên nhôm cũng đã chứng minh khả năng tiết kiệm vật liệu so với các phương pháp truyền thống. Các ngành công nghệ cao sử dụng sản xuất phụ gia kim loại đã chứng tỏ việc sản xuất các bộ phận phức tạp nhanh hơn, độ bền vật liệu cao hơn và lợi thế về độ dẻo so với các phương pháp truyền thống.
Sản xuất phụ gia nhôm cũng cho phép sản xuất các cấu trúc được tối ưu hóa cao mà nếu không sẽ tốn kém, mất thời gian hoặc thậm chí không thể sản xuất bằng các phương pháp sản xuất truyền thống. Ngoài ra, các bộ phận bằng nhôm in 3D có thể được sử dụng với các bộ phận khác để tạo ra các cấu trúc lai.
Sử dụng nhôm in 3D, người ta cũng có thể chế tạo các bộ phận kết cấu có đặc tính hấp thụ năng lượng và đặc tính gia cường bên trong. Hơn nữa, ứng suất dư không mong muốn được tạo ra trong các ứng dụng kết cấu có thể được chuyển đổi thành ứng suất trước thuận lợi.
Những thách thức và phạm vi tương lai của in 3D nhôm
Những thách thức đáng kể vẫn còn trong in 3D nhôm cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Trong một số trường hợp, in 3D nhôm đắt hơn các phương pháp sản xuất truyền thống. Trong in 3D kim loại, các phương pháp thiết kế hiện có phải được sửa đổi để phù hợp với những thay đổi về đặc tính vật liệu và hình dạng biến đổi.
Công nghệ sản xuất phụ gia kim loại cần được tiêu chuẩn hóa hơn và các quy trình đảm bảo chất lượng mới cần được thực hiện để đảm bảo rằng các bộ phận được sản xuất đáng tin cậy trong suốt vòng đời của chúng. Miễn là những thách thức kỹ thuật và công nghiệp này được giải quyết, in 3D nhôm có tiềm năng lớn để ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau.