Lĩnh vực hàng không vũ trụ đang phát triển nhanh chóng trong thời kỳ công nghệ tiên tiến nhanh chóng của chúng ta, độ chính xác và tiêu chí hiệu suất trong sản xuất luôn tăng lên. Khi phải đối mặt với các cấu trúc phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao đối với các bộ phận máy bay, kỹ thuật sản xuất truyền thống đôi khi khó đạt được kết quả tối ưu. Sự ra đời của công nghệ in 3D kim loại đã thay đổi căn bản việc sản xuất máy bay, nâng cao đáng kể độ chính xác trong sản xuất và thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sáng tạo.
In 3D kim loại, đôi khi được gọi là sản xuất bồi đắp kim loại, là một kỹ thuật trong đó các vật thể ba chiều được tạo ra bằng cách xếp chồng các lớp bột hoặc dây kim loại lên nhau. Nó làm tan chảy bột kim loại theo đường viền mô hình được thiết kế sẵn bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng như tia laser hoặc chùm điện tử, do đó tạo ra một lớp kim loại rắn. Sau đó, bệ sản xuất rơi xuống một lớp, lắng đọng bột kim loại mới và tiếp tục lặp lại quy trình nói trên cho đến khi toàn bộ công trình được chế tạo. Kỹ thuật sản xuất bồi đắp "từ đầu" này làm tăng đáng kể độ chính xác trong sản xuất, đạt được khả năng sản xuất trực tiếp các thành phần kết cấu khó và hoàn toàn giải phóng khỏi những hạn chế của khuôn thông thường.
Công nghệ in 3D kim loại bước đầu được thể hiện trong ngành công nghiệp máy bay trong sản xuất linh kiện động cơ. Hiệu suất của động cơ máy bay ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng chung của máy bay vì chúng là thành phần cơ bản của nó. Không chỉ tốn thời gian và tốn nhiều công sức mà còn thách thức việc đảm bảo độ chính xác trong sản xuất, kỹ thuật sản xuất động cơ thông thường đòi hỏi nhiều nguyên công gia công và lắp ráp chính xác. Công nghệ in 3D kim loại đã rút ngắn đáng kể các quy trình sử dụng nhiều lao động này. Công nghệ in 3D kim loại có thể trực tiếp sản xuất các bộ phận động cơ có cấu trúc phức tạp, như vòi phun nhiên liệu, cánh tuabin áp suất thấp, v.v., bằng cách nấu chảy chính xác và xếp chồng bột kim loại lên từng lớp. Những bộ phận này phải chịu được nhiệt độ và áp suất khá cao và khó khăn trong thiết kế. Bằng thiết kế và lựa chọn vật liệu lý tưởng, công nghệ in 3D kim loại không chỉ đạt được hiệu quả sản xuất chính xác các bộ phận này mà còn nâng cao đáng kể độ bền và độ bền của chúng. Ví dụ, mặc dù duy trì tỷ lệ cường độ và trọng lượng lớn, các cánh tuabin áp suất thấp được làm bằng hợp kim TiAl nhẹ hơn khoảng 50% so với hợp kim nhiệt độ cao gốc niken thông thường, do đó giảm trọng lượng của toàn bộ tuabin áp suất thấp.
Ngoài các bộ phận động cơ, một ứng dụng quan trọng khác của công nghệ in 3D kim loại trong lĩnh vực hàng không vũ trụ là thiết kế gọn nhẹ. Việc cải thiện hiệu suất máy bay chủ yếu phụ thuộc vào trọng lượng, vì vậy công nghệ in 3D kim loại đạt được thiết kế nhẹ bằng thiết kế kết cấu và lựa chọn vật liệu thành phần. Ví dụ, đối với động cơ GE9X, công nghệ in 3D đã giúp tối ưu hóa 163 bộ phận trao đổi nhiệt ban đầu thành một bộ phận tích hợp, do đó giảm 40% trọng lượng, giảm 25% chi phí sản xuất và kéo dài tuổi thọ sử dụng. Ngoài việc giảm tổng trọng lượng của máy bay, cấu trúc trọng lượng nhẹ này còn giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải carbon.
Mức độ tùy chỉnh và hiệu quả cao của công nghệ in 3D kim loại trong kỹ thuật hàng không vũ trụ thậm chí còn bổ sung thêm một lợi ích quan trọng khác. Mặc dù in 3D kim loại có thể in trực tiếp biểu mẫu cần thiết dựa trên các mô hình CAD mà không cần xử lý thêm, nhưng các kỹ thuật sản xuất truyền thống đòi hỏi một số lượng lớn khuôn mẫu và đồ gá để sản xuất linh kiện. Việc cá nhân hóa thật đơn giản với kỹ thuật sản xuất "một-một" này. Sản xuất hàng loạt và các bộ phận riêng lẻ có thể được hoàn thành nhanh chóng với cùng chi phí. Hơn nữa, in 3D kim loại làm giảm đáng kể chu kỳ sản xuất linh kiện. Trong khi in 3D kim loại có thể hoàn thành trong vài giờ hoặc thậm chí vài phút thì việc chế tạo một bộ phận phức tạp bằng kỹ thuật thông thường có thể mất vài tuần hoặc thậm chí vài tháng. Ngoài việc tăng hiệu quả sản xuất, kỹ thuật sản xuất hiệu quả này còn đẩy nhanh việc đưa ra các sản phẩm mới, nhờ đó tiết kiệm đáng kể thời gian cho doanh nghiệp.
Việc nâng cao độ chính xác của công nghệ in 3D kim loại trong sản xuất máy bay cũng được thể hiện rõ trong việc chế tạo các bộ phận có kết cấu phức tạp. Một số bộ phận máy bay có yêu cầu về độ phức tạp và độ chính xác khá cao, điều mà các kỹ thuật sản xuất thông thường đôi khi gặp khó khăn để đạt được. Trực tiếp tạo ra các thành phần cấu trúc phức tạp này và đảm bảo kết quả sản xuất có độ chính xác cao từ công nghệ in 3D kim loại. Ví dụ, để sản xuất động cơ tên lửa, công nghệ in 3D kim loại có thể tạo ra các bộ phận có kênh làm mát phức tạp mà các kỹ thuật sản xuất thông thường khó có được. Bằng cách sử dụng công nghệ in 3D kim loại, sự tan chảy và tích tụ của từng lớp bột kim loại có thể được điều chỉnh chính xác, do đó cho phép chế tạo chính xác các công trình phức tạp.
Tuy nhiên, việc sử dụng công nghệ in 3D kim loại trong ngành hàng không vũ trụ cũng gặp những khó khăn nhất định. Ví dụ, chi phí và đầu tư cho thiết bị in 3D kim loại khá cao; Cần tiếp tục nghiên cứu và đưa ra các giải pháp để xử lý các vấn đề bao gồm ứng suất nhiệt và ứng suất dư trong quá trình in 3D kim loại; việc chuẩn bị và bảo quản bột kim loại cần phải kiểm soát chặt chẽ các điều kiện. Tuy nhiên, với những lợi ích và khả năng đặc biệt của mình, công nghệ in 3D kim loại đang ngày càng trở nên quan trọng hơn trong sản xuất hàng không vũ trụ.
https://www.china-3dprinting.com/metal-3d-printing/metal-3d-printing-piston-in-the-engine.html