Sản xuất bồi đắp— 3D In

1. Giới thiệu về ngành

         3D In (In ấn 3D) , còn gọi là sản xuất bồi đắp (Sản xuất bồi đắp , viết tắt là Buổi sáng) , nổi lên vào thập niên 1990. Khác với các phương pháp gia công “giảm vật liệu” truyền thống, 3D In 3D dựa trên phần mềm máy tính, thông qua các phương thức như thiết kế và quét để tạo ra mô hình ba chiều, sau đó lần lượt xếp chồng các vật liệu rời rạc theo từng lớp. ( Bột, dây kim loại ) Một kỹ thuật gia công tạo hình. 3D In 3D phần lớn sử dụng bột dạng cầu làm nguyên liệu, được nung chảy có chọn lọc nhờ nguồn nhiệt tập trung, sau đó đông đặc trong quá trình làm nguội để hình thành chi tiết in. 。

                      3D In                                 3D In sản phẩm

  3D Một trong những lĩnh vực chính của in ấn là Hàng không Trong ngành hàng không vũ trụ, động cơ phản lực hiện đại có tới hàng nghìn chi tiết, trong đó một số chi tiết (chẳng hạn như cánh tuabin)… 1 ) Cần tuân theo các thông số kỹ thuật nghiêm ngặt và sử dụng duy nhất một loại vật liệu. Khuôn mẫu Sản xuất. Sử dụng 3D Một số bộ phận động cơ được in 3D bao gồm bánh tuabin của bộ tăng áp, các cánh quạt, vòi phun nhiên liệu và các bộ phận khác.

                                                                            (Hình 1)

2. 3D Công nghệ in ấn So sánh với Ưu thế sản xuất của công nghệ chế tạo truyền thống

      Hiện tại kim loại So với các công nghệ gia công chính xác truyền thống, công nghệ in 3D vẫn còn khoảng cách khá lớn về các mặt như vật liệu gia công, độ chính xác gia công, độ nhám bề mặt và hiệu suất gia công; tuy nhiên, với nguyên lý kỹ thuật và phương thức sản xuất hoàn toàn mới, công nghệ in 3D cũng sở hữu những ưu thế to lớn mà các phương pháp gia công chính xác truyền thống không thể sánh kịp, cụ thể thể hiện ở:

（ 1) Rút ngắn chu kỳ nghiên cứu, phát triển và đưa sản phẩm mới vào sản xuất. Quá trình tạo hình trong công nghệ in 3D được điều khiển trực tiếp bởi mô hình ba chiều, không cần đến các công cụ phụ trợ như khuôn mẫu hay đồ gá, nhờ đó có thể giảm đáng kể thời gian nghiên cứu và phát triển sản phẩm, đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất khuôn mẫu đắt đỏ, qua đó nâng cao tốc độ lặp lại trong quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

（ 2) Có thể tạo hình hiệu quả các cấu trúc phức tạp hơn. Nguyên lý của in 3D là phân tách một khối hình học ba chiều phức tạp thành các mặt cắt hai chiều, sau đó xếp chồng các lớp này để chế tạo; do đó, có thể thực hiện việc tạo hình các chi tiết phức tạp mà gia công chính xác truyền thống thường khó đạt được, từ đó nâng cao tỷ lệ sản phẩm hoàn thiện đồng thời cải thiện chất lượng sản phẩm.

（ 3) Thực hiện thiết kế tích hợp và giảm trọng lượng. Việc ứng dụng công nghệ in 3D kim loại có thể tối ưu hóa cấu trúc của các chi tiết phức tạp; trên cơ sở đảm bảo hiệu năng, các cấu trúc phức tạp được biến đổi và tái thiết kế thành những cấu trúc đơn giản, qua đó giúp giảm trọng lượng. Đồng thời, công nghệ in 3D cũng cho phép tạo hình tích hợp các bộ phận, từ đó nâng cao độ tin cậy của sản phẩm.

（ 4) Hiệu suất sử dụng vật liệu cao. So với các công nghệ gia công chính xác truyền thống, công nghệ in 3D kim loại có thể tiết kiệm được một lượng lớn vật liệu, đặc biệt là đối với các loại vật liệu kim loại đắt tiền, qua đó giảm đáng kể chi phí sản xuất.

（ 5) Đạt được các tính năng cơ học ưu việt. Nhờ đặc điểm của quy trình in 3D với sự đông đặc nhanh, chất lượng kim loại bên trong chi tiết sau khi chế tạo trở nên đồng đều và đặc chắc, không có các khuyết tật kim loại khác; đồng thời, nhờ khả năng đông đặc nhanh, tổ chức bên trong vật liệu hình thành là các cấu trúc phụ nhỏ mịn, cho phép tăng đáng kể độ bền của chi tiết chế tạo mà không làm giảm tính dẻo.

3. 3D Hiện trạng ngành công nghiệp vật liệu bột hợp kim chịu nhiệt cao dùng cho in 3D

Các phương pháp chế tạo bột dạng cầu dùng cho in 3D bao gồm phương pháp phun sương bằng khí, phương pháp phun sương bằng ngọn lửa plasma, phương pháp phun sương bằng điện cực quay và phương pháp cacbonyl, trong đó phương pháp phun sương bằng khí là được ứng dụng rộng rãi nhất.

1. Tổng quan về cơ chế chế tạo bột kim loại dạng cầu bằng phương pháp phun sương

Theo Xem Và Đổmbrôxki Nghiên cứu cho thấy quá trình phun khí hóa được chia thành ba giai đoạn: phá vỡ lần một, phá vỡ lần hai và quá trình hình cầu hóa cùng đông đặc; trong đó bao gồm các quá trình chính như trạng thái phân bố của dòng khí, sự nóng chảy của hợp kim, sự phá vỡ của dung thể nóng chảy, hình cầu hóa và đông đặc; đồng thời còn đề cập đến quá trình phun khí hóa và các ảnh chụp quá trình phun. (Được thu thập bằng camera tốc độ cao) như minh họa trong Hình 1. Đầu tiên, dòng khí đi qua vòi phun tạo sương được tăng tốc và hình thành một trường dòng khí ổn định; khi dòng kim loại nóng chảy tiếp xúc với dòng khí này, dòng khí có tốc độ cao và áp suất lớn sẽ tác động mạnh, làm vỡ dòng kim loại, chuyển đổi động năng của khí thành năng lượng bề mặt của các giọt kim loại nóng chảy, từ đó hình thành những giọt nhỏ. Các giọt này bị lực kéo của dòng khí đẩy bay với tốc độ cao; trên hành trình bay, chúng chịu tác động của sức căng bề mặt nên dần trở thành hình cầu, đồng thời nhanh chóng nguội lạnh và đông đặc trong dòng khí tạo sương tốc độ cao, cuối cùng thu được các hạt bột hình cầu.

                       Sơ đồ minh họa quá trình phun sương (a)                                                       Ảnh phun sương (b)

2. Vật liệu bột kim loại

Trong hiện tại Trong ngành công nghiệp in 3D, in 3D kim loại chiếm một tỷ trọng khá lớn; đồng thời, cùng với sự ngày càng hoàn thiện của công nghệ in 3D kim loại và việc giảm mạnh chi phí sản xuất, phạm vi, mức độ sâu rộng cũng như quy mô ứng dụng của công nghệ này không ngừng được mở rộng. Chẳng hạn, trong lĩnh vực hàng không – vũ trụ, in 3D kim loại đã chuyển từ giai đoạn chế tạo các mẫu thử nghiệm sang giai đoạn sản xuất hàng loạt; trong lĩnh vực nha khoa, việc in 3D mão răng kim loại đã trở thành phương pháp thường quy tại các phòng kỹ thuật nha khoa; trong lĩnh vực chỉnh hình xương, các thiết bị cấy ghép kim loại được sản xuất bằng công nghệ in 3D bắt đầu được áp dụng trên quy mô lớn; trong các lĩnh vực khuôn mẫu, tản nhiệt và một số ngành khác, công nghệ này đang thay thế các quy trình truyền thống; còn trong ngành ô tô, tiềm năng ứng dụng khổng lồ vẫn đang chờ được khai phá. 。

Vật liệu bột kim loại

3. Vật liệu hợp kim chịu nhiệt

Hợp kim chịu nhiệt cao, còn gọi là siêu hợp kim, có khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn tốt, cùng với các đặc tính cơ học xuất sắc như độ bền kéo, độ bền lâu dài và khả năng chống mỏi, cũng như sự ổn định tổ chức trong thời gian dài; chúng được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu của công nghệ hàng không–vũ trụ hiện đại trong những điều kiện sử dụng ở nhiệt độ cao, và đã thể hiện sức sống mạnh mẽ trong lĩnh vực động cơ hàng không–vũ trụ tiên tiến.

Hợp kim nhiệt độ cao luyện bằng phương pháp luyện bột là loại hợp kim nhiệt độ cao được chế tạo bằng phương pháp luyện bột; so với các loại hợp kim nhiệt độ cao đúc–rèn truyền thống, nó có ưu điểm về cấu trúc đồng nhất, không có sự phân bố không đồng đều ở quy mô vĩ mô, cũng như có giới hạn chảy cao và tính năng mỏi tốt, qua đó khắc phục được hiện tượng phân bố không đồng đều do các quy trình thông thường gây ra. (Không đồng nhất), mỗi hạt của bột hợp kim hóa trước được sử dụng chính là một “thỏi thép vi mô”; sự phân bố không đồng đều của hợp kim chỉ có thể xảy ra trong phạm vi rất nhỏ của từng hạt bột, nhờ đó có thể nâng cao tính năng tổng thể của hợp kim, đồng thời giảm khối lượng gia công cắt gọt, từ đó tăng hiệu suất sử dụng của hợp kim. Đặc biệt, khi thành phần của các hợp kim nhiệt độ cao ngày càng phức tạp và kích thước của các chi tiết liên tục tăng lên, các hợp kim nhiệt độ cao chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột càng thể hiện rõ ưu thế vượt trội của mình. 。

Bốn, In 3D Xu hướng phát triển ngành

1、 Nhu cầu tài chính của ngành công nghiệp đang rất cấp bách, quy mô sẽ vượt 7 tỷ nhân dân tệ. Theo thống kê, năm 2021, tổng vốn huy động cho ngành sản xuất bồi đắp trên toàn cầu đạt 65 tỷ nhân dân tệ, với tốc độ tăng trưởng lên tới 66%. Tại Trung Quốc, tổng vốn huy động của các doanh nghiệp sản xuất bồi đắp đạt khoảng 4,8 tỷ nhân dân tệ, tăng 33,3% so với năm 2020; tuy nhiên, cả tổng mức đầu tư hiện có lẫn tốc độ tăng trưởng đầu tư vẫn còn khoảng cách so với các nước khác. Dự báo trong năm 2022, nhu cầu huy động vốn của ngành sản xuất bồi đắp tại Trung Quốc sẽ vượt quá 7 tỷ nhân dân tệ.

2. Các linh kiện phụ tùng cho thiết bị phân khúc trung cấp được kỳ vọng sẽ sớm đạt được mức tự chủ hoàn toàn về nguồn cung trong nước. Trong những năm gần đây, các doanh nghiệp sản xuất linh kiện phụ tùng cho công nghệ chế tạo thêm tại Trung Quốc không ngừng tăng cường đầu tư nghiên cứu và phát triển; các sản phẩm linh kiện nội địa như của Dazhong S&T và Wuhan Raycus đã được sử dụng ổn định trong các loại thiết bị như máy in 3D laser chọn vùng và máy hóa rắn bằng ánh sáng trong ngành nha khoa. Cùng với sự gia tăng không ngừng của nhu cầu, quá trình nội địa hóa các linh kiện phụ tùng đang được đẩy nhanh, và các linh kiện dành cho thiết bị phân khúc trung cấp được kỳ vọng sẽ sớm thay thế hoàn toàn bằng sản phẩm nội địa.

3, Thiết bị công nghiệp đang thể hiện xu hướng kích thước lớn, hiệu suất cao và chuyên dụng. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ và đổi mới quy trình sản xuất, các yêu cầu ứng dụng ngày càng tăng, đồng thời các trường hợp sử dụng cũng không ngừng được mở rộng, thiết bị chế tạo bồi đắp dần dần biểu hiện rõ nét các xu hướng trên. Đồng thời, nhằm đáp ứng các đặc điểm nhu cầu khác nhau trong các lĩnh vực y tế, xây dựng và bảo tồn di sản văn hóa, hiện nay các doanh nghiệp trong nước đã lần lượt ra mắt các loại thiết bị như: thiết bị làm tan chảy chọn lọc bằng laser dùng trong nha khoa; thiết bị đông cứng quang lập thể chuyên dụng cho việc mô phỏng, phục chế di sản văn hóa; và thiết bị ép đùn vật liệu dạng cần cơ khí dùng trong xây dựng.

4. Quy mô thị trường dịch vụ tiếp tục mở rộng, và các lĩnh vực như đúc sẽ chứng kiến sự bùng nổ. Theo số liệu từ Báo cáo Wohlers, tỷ trọng của các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ in 3D trên phạm vi quốc tế đang tăng dần qua từng năm; năm 2021, quy mô thị trường dịch vụ in 3D đạt khoảng 6,25 tỷ USD, chiếm 41% tổng quy mô thị trường, điều này cho thấy dịch vụ đã trở thành một động lực quan trọng thúc đẩy sự phát triển của ngành. Hiện nay, số lượng các nhà cung cấp dịch vụ in 3D trong nước vẫn còn khá ít; theo thống kê từ các doanh nghiệp được khảo sát, con số này chỉ vào khoảng 21%. Các nhà cung cấp hiện có trong nước như Xin Jing He và Kangshuo Group đã lần lượt đưa các nhà máy mới xây dựng vào vận hành, dự kiến quy mô thị trường dịch vụ trong nước sẽ tăng mạnh trong năm 2022. Theo thống kê của Hiệp hội Đúc Trung Quốc, nước ta hiện có 26.000 nhà máy đúc, với quy mô thị trường sản phẩm đúc bằng khuôn cát vào khoảng 120 tỷ nhân dân tệ; việc ứng dụng công nghệ in 3D có thể rút ngắn quy trình công nghệ đúc từ 15 bước xuống còn 8 bước. Trong bối cảnh “hai mục tiêu carbon”, công nghệ in 3D tiếp tục tạo sức mạnh cho ngành đúc; dự báo trong 5 năm tới, nhu cầu về thiết bị in 3D dùng cho đúc bằng khuôn cát sẽ vượt quá 2.000 đơn vị.

                                                                                         Tình hình doanh thu của ngành sản xuất bồi đắp tại Trung Quốc giai đoạn 2018–2021

5. Kết luận và triển vọng

         Kể từ khi công nghệ in 3D ra đời vào thập niên 1990, quá trình in ấn đã dần chuyển từ việc sử dụng các vật liệu polyme sang tập trung vào việc in ấn bằng bột kim loại, qua đó thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của hàng loạt công nghệ, thiết bị và vật liệu mới. Hiện nay, với đà đổi mới không ngừng của công nghệ thông tin, sản xuất công nghiệp đang bước vào một giai đoạn mới mang tính thông minh hóa và số hóa, trong đó công nghệ in 3D sẽ trở thành một động lực mạnh mẽ cho quá trình phát triển theo hướng thông minh hóa của ngành công nghiệp. Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D sử dụng bột hợp kim chịu nhiệt cao đã đạt được những thành tựu nhất định và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hàng không– vũ trụ, y sinh và ô tô. Ngành công nghiệp in 3D đang phát triển nhanh chóng; doanh thu của ngành trong nước đã đạt 26,5 tỷ nhân dân tệ, với tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm khoảng 30% trong bốn năm gần đây, và số lượng doanh nghiệp quy mô lớn đã vượt quá 100 đơn vị.

Hiện nay, bột hợp kim chịu nhiệt của nước ta Công nghệ in 3D thực tế vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức: một mặt bao gồm tính lưu động của bột và phân bố kích thước hạt bột, tương tác với nguồn nhiệt, cấu trúc vi mô theo từng lớp hình thành, giảm thiểu khuyết tật cũng như định lượng tốt hơn các đặc trưng luyện kim; mặt khác bao gồm tối ưu hóa các thông số quy trình, giám sát thời gian thực, xây dựng các tiêu chuẩn thẩm định, thử nghiệm thông lượng cao và chế tạo các bộ phận ở quy mô lớn. Việc thiết kế bột hợp kim chịu nhiệt dùng cho in 3D phải cân bằng giữa tính khả thi chế tạo, tính đồng nhất cơ học, độ ổn định và chi phí. Những nút thắt về vật liệu chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến việc phổ biến công nghệ in 3D, đồng thời đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với vật liệu. Hướng phát triển của vật liệu bột hợp kim chịu nhiệt dùng cho in 3D chủ yếu tập trung vào ba phương diện: thứ nhất là trên cơ sở các vật liệu hiện có, tăng cường mối liên hệ giữa tính chất vật liệu và cấu trúc, tiếp tục tối ưu hóa các thông số quy trình, nâng cao tốc độ in, giảm tỷ lệ xốp và hàm lượng oxy, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt của chi tiết in; thứ hai là nghiên cứu, phát triển các vật liệu mới phù hợp với in 3D, chẳng hạn như phát triển các loại bột hợp kim chịu nhiệt mới có khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt cao và tính năng cơ học tổng hợp vượt trội; thứ ba là rà soát, hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật đối với vật liệu bột dùng trong in 3D, qua đó đưa các tiêu chuẩn kỹ thuật về in hợp kim chịu nhiệt vào khuôn khổ thể chế hóa và duy trì thường xuyên.

Sáu 、3D Các lưu ý khi in 3D so với sản xuất truyền thống

Công ty TNHH Công nghiệp và Thương mại Kiến Xuyên Thạch Nam Kinh là một đơn vị chuyên cung cấp các loại dao cắt và đồ gá trong lĩnh vực gia công cơ khí, với đội ngũ kỹ thuật dịch vụ xuất sắc và hệ thống dịch vụ cung ứng mạnh mẽ; nhằm 3D Công ty có kinh nghiệm phong phú trong gia công sau in cũng như trong gia công chính xác truyền thống, đồng thời sở hữu uy tín cao và các giải pháp dịch vụ kỹ thuật hoàn chỉnh trong lĩnh vực gia công ở cấp độ μm. 3 D Những nhược điểm của in 3D so với sản xuất truyền thống và các lưu ý khi gia công sau in được tóm tắt như sau:

    1) So sánh các dự án

  2) Những lưu ý khi in 3D

    1. Đối với ren, nên gia công bằng phương pháp taro; không khuyến nghị in trực tiếp (bao gồm cả ren trong và ren ngoài).

2. Độ dày thành, độ rộng rãnh và kích thước chữ nhỏ hơn 0,5 mm sẽ không đảm bảo có thể in ra;

3. Đối với các bộ phận lắp ráp, cần phải nhắc nhở gửi kèm bản vẽ lắp ráp; trước khi giao hàng phải được lắp ráp hoàn chỉnh mới được gửi đi; nếu không có nhắc nhở thì bên chúng tôi không chịu trách nhiệm về việc lắp ráp.

4. Đối với các sản phẩm cần lắp ráp, khe hở mỗi bên phải được để ở mức 0,15 mm;

5. Đối với các chi tiết yêu cầu độ chính xác lắp ghép cao ở từng khu vực cụ thể (như lỗ ổ trục, đường kính, mặt phẳng lắp ghép), cần để lại trước lượng dư gia công, sau đó thực hiện gia công tinh lần hai để đạt được sự phối hợp chính xác;

6. Sau quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao trong in 3D kim loại, một số chi tiết có dạng thon dài, thành mỏng, dạng vỏ và các cấu trúc tương tự thường bị biến dạng; ưu điểm của in 3D kim loại nằm ở việc chế tạo các chi tiết có cấu trúc phức tạp, trong khi độ chính xác và chất lượng bề mặt kém hơn so với gia công cơ khí.

7. Bề mặt màu nguyên bản có các vết lồi lõm nhỏ (Ra khoảng 7);

8. Xử lý sau in 3D kim loại: Giống như các vật liệu truyền thống, có thể tiến hành các quy trình gia công thứ cấp sau đó;

9. Đối với các sản phẩm có kích thước dưới 50 mm, dung sai in là ±0,1 mm; đối với các sản phẩm có kích thước lớn hơn, dung sai in sẽ được xem xét tùy theo bản vẽ.

10. Đối với các sản phẩm cồng kềnh, nếu cần phải tháo rời để in thì phải tính toán kỹ vị trí tháo, tránh các lỗ lắp đặt, đồng thời xem xét độ biến dạng và dành sẵn các mặt ghép để căn chỉnh khi hàn.

Công ty TNHH Kỹ thuật, Thương mại và Sản xuất Kiếm Xuyên Thạch Nam Kinh 10/05/2023