Kể từ khi công nghệ in 3D ra đời, nó đã dần được ứng dụng vào việc sản xuất các sản phẩm thực tế. Trong số đó, sự phát triển của công nghệ in 3D cho vật liệu kim loại đặc biệt nhanh chóng. Trong lĩnh vực quốc phòng, các nước phát triển ở Châu Âu và Hoa Kỳ rất coi trọng việc phát triển in 3D kim loại và đầu tư số tiền khổng lồ vào nghiên cứu. Các bộ phận kim loại in 3D luôn là trọng tâm của nghiên cứu và ứng dụng. Nó không chỉ có thể in khuôn mẫu và xe đạp, nó còn có thể in các loại vũ khí mới chưa từng có, thậm chí có thể in các thiết bị lớn như ô tô và máy bay. Là một loại công nghệ sản xuất thông minh mới, in 3D kim loại đã cho thấy triển vọng ứng dụng rất rộng rãi và đã cho thấy đà phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực hơn như thiết kế và sản xuất thiết bị, hỗ trợ thiết bị và hàng không vũ trụ.
Tính năng in 3D kim loại
1) Độ chính xác cao. Hiện tại, độ chính xác của thiết bị in 3D kim loại về cơ bản có thể được kiểm soát dưới 0.05mm.
2) Chu kỳ ngắn. In 3D kim loại không yêu cầu quy trình sản xuất khuôn, giúp rút ngắn đáng kể thời gian sản xuất mô hình. Nói chung, một mô hình có thể được in trong vài giờ hoặc thậm chí hàng chục phút.
3) Nó có thể được cá nhân hóa. In 3D kim loại không có giới hạn về số lượng mẫu in, bất kể một hay nhiều mẫu đều có thể được sản xuất với cùng một chi phí.
4) Đa dạng về chất liệu. Một hệ thống in 3D kim loại thường có thể nhận ra việc in các vật liệu khác nhau và sự đa dạng của vật liệu này có thể đáp ứng nhu cầu của các lĩnh vực khác nhau.
5) Chi phí tương đối thấp. Mặc dù hệ thống in 3D kim loại và vật liệu kim loại để in 3D hiện nay tương đối đắt, nhưng nếu chúng được sử dụng để tạo ra các sản phẩm cá nhân hóa, thì chi phí sản xuất tương đối thấp.
Công nghệ in 3D kim loại
Là công nghệ tiên tiến nhất và tiềm năng nhất trong toàn bộ hệ thống in 3D, công nghệ in 3D các bộ phận kim loại là một hướng phát triển quan trọng của công nghệ sản xuất tiên tiến. Với sự phát triển của khoa học và công nghệ và nhu cầu phổ biến và ứng dụng, việc sản xuất trực tiếp các bộ phận chức năng kim loại bằng cách tạo mẫu nhanh đã trở thành hướng phát triển chính của tạo mẫu nhanh. Hiện tại, các phương pháp tạo mẫu nhanh có thể được sử dụng để sản xuất trực tiếp các bộ phận chức năng kim loại chủ yếu bao gồm: Làm nóng chảy bằng Laser có chọn lọc (SLM), Làm nóng chảy có chọn lọc bằng chùm tia điện tử (EBSM), Tạo hình lưới được thiết kế bằng laser (LENS)) chờ đợi.
Nung chảy Laser chọn lọc (SLM)
SLM là một phần quan trọng trong lĩnh vực in 3D kim loại. Quá trình phát triển của nó đã trải qua các giai đoạn như thiêu kết bột phi kim loại có điểm nóng chảy thấp, thiêu kết bột có điểm nóng chảy cao phủ điểm nóng chảy thấp và nung chảy trực tiếp bột có điểm nóng chảy cao. Đại học Texas ở Austin lần đầu tiên nộp đơn xin cấp bằng sáng chế vào năm 1986 và đã phát triển thành công thiết bị SLM đầu tiên vào năm 1988. Thiết bị này sử dụng một điểm tập trung tinh xảo để nhanh chóng nấu chảy thành vật liệu bột định sẵn có kích thước 30-51 μm và gần như có thể trực tiếp có được bất kỳ hình dạng. Cũng như các bộ phận chức năng với liên kết luyện kim hoàn chỉnh. Mật độ có thể đạt gần 100 phần trăm , độ chính xác về kích thước có thể đạt tới 20-50 μm và độ nhám bề mặt có thể đạt tới 20-30 μm. Nó là một công nghệ tạo mẫu nhanh với triển vọng phát triển lớn.
Vật liệu đúc SLM chủ yếu là bột kim loại một thành phần, bao gồm thép không gỉ austenit, hợp kim gốc niken, hợp kim gốc titan, hợp kim coban-crom và kim loại quý. Chùm tia laser nhanh chóng làm tan chảy bột kim loại và thu được kênh nóng chảy liên tục, có thể trực tiếp thu được các bộ phận kim loại gần như dày đặc với hầu hết mọi hình dạng, liên kết luyện kim hoàn chỉnh và độ chính xác cao. Đây là công nghệ in 3D cho các bộ phận kim loại có triển vọng phát triển lớn. Phạm vi ứng dụng của nó đã được mở rộng sang hàng không vũ trụ, vi điện tử, điều trị y tế, đồ trang sức và các ngành công nghiệp khác.
Có hơn 50 yếu tố ảnh hưởng trong quy trình SLM và có sáu loại có tác động quan trọng đến hiệu ứng đúc: tính chất vật liệu, hệ thống đường dẫn laser và quang học, tính năng quét, môi trường đúc, đặc điểm hình học đúc và các yếu tố thiết bị. Hiện tại, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước chủ yếu tiến hành nghiên cứu quy trình và nghiên cứu ứng dụng về các yếu tố trên, với mục đích giải quyết các khuyết tật trong quá trình đúc và cải thiện chất lượng của các bộ phận đúc. Về nghiên cứu quy trình, các tham số quy trình quan trọng trong quy trình tạo hình SLM bao gồm công suất laser, tốc độ quét, độ dày lớp bột, khoảng cách quét và chiến lược quét, v.v. Bằng cách kết hợp các tham số quy trình khác nhau, chất lượng tạo hình có thể được tối ưu hóa.
Các khiếm khuyết chính trong quy trình đúc SLM là biến dạng hình cầu và cong vênh. Hình cầu hóa là sự nóng chảy không đủ của các lớp trên và dưới trong quá trình đúc. Do ảnh hưởng của sức căng bề mặt, các giọt nóng chảy sẽ nhanh chóng cuộn lại thành hình cầu, dẫn đến hình cầu hóa. Để tránh hình cầu hóa, năng lượng đầu vào nên được tăng lên một cách thích hợp. Biến dạng cong vênh là do ứng suất nhiệt trong quá trình tạo hình SLM vượt quá cường độ của vật liệu, dẫn đến biến dạng dẻo. Do khó khăn trong việc đo ứng suất dư, nghiên cứu hiện tại về biến dạng cong vênh của quá trình SLM chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sau đó độ tin cậy của kết quả mô phỏng được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Nguyên tắc cơ bản của công nghệ SLM là: đầu tiên sử dụng Pro/e, UG, CATIA và phần mềm mô hình 3D khác để thiết kế mô hình khối 3D của bộ phận trên máy tính, sau đó cắt và phân lớp mô hình 3D thông qua phần mềm cắt để có được dữ liệu đường viền của từng phần, đường quét điền được tạo từ dữ liệu đường viền và thiết bị sẽ điều khiển chùm tia laze để làm tan chảy có chọn lọc các vật liệu bột kim loại của từng lớp theo các đường quét điền này và dần dần xếp chúng thành ba chiều bộ phận kim loại.