[Góc tổng hợp] Vật liệu in 3D kim loại phổ biến nhất hiện nay

14/06/2022

Với sự phát triển của công nghệ in 3D những năm gần đây, in 3D kim loại dần trở thành mắt xích quan trọng đối với nhiều ngành công nghiệp. In 3D kim loại ngày càng được cải thiện về tốc độ, với chất lượng in tốt hơn và danh mục vật liệu liên tục được mở rộng.

Giới thiệu về vật liệu in 3D kim loại phổ biến

Quy trình sản xuất bồi đắp kim loại có những lợi thế riêng so với các phương pháp truyền thống như gia công CNC hoặc ép phun.

Một trong những ưu điểm đó là giảm thiểu chất thải vật liệu, điều này là rất quan trọng khi sử dụng các kim loại đắt tiền như đồng hoặc kim loại quý. In 3D kim loại chỉ sử dụng lượng vật liệu cần thiết khi chế tạo, với một lượng chất thải tối thiểu được tạo ra bởi các cấu trúc hỗ trợ.

Hơn nữa, vì in 3D cho phép khả năng thiết kế hình học phức tạp, nên người dùng có thể tối ưu hóa cấu trúc liên kết, mật độ và trọng lượng của chi tiết, giúp tiết kiệm lượng vật liệu tiêu hao.

Chúng ta hãy cùng điểm qua một số vật liệu in 3D kim loại được sử dụng phổ biến trên thị trường hiện nay.

Công nghệ in 3D kim loại Selective Laser Melting của DMG MORI. Nguồn: 3dprintingmedia.network

Thép công cụ

Thép công cụ là kim loại khá đắt đỏ, chủ yếu là do hàm lượng hợp kim cao (~ 0,03% cacbon, ~ 17 – 19% niken, và ~ 8 – 12% coban) giúp tăng độ bền kéo và độ bền đứt gãy.

Chất lượng thường đi kèm với giá trị, dù thép công cụ khá đắt nhưng lại là một trong những vật liệu có cường độ và khả năng chịu lực tốt nhất trên thị trường. Thép công cụ có các đặc tính cơ học vượt trội và có thể được nhiệt luyện dễ dàng.

Những ưu điểm trên giúp thép công cụ trở thành vật liệu lý tưởng cho một loạt các ứng dụng dụng cụ như: Dụng cụ đúc phun, lõi và insert của khuôn đúc, đột dập, cũng như các chi tiết máy hạng nặng dùng trong ô tô, hang không vũ trụ…

Hợp kim thường được sử dụng: MS1, 18Ni1400, 18Ni1700, 18Ni1900, 18Ni2400, 17Ni1600 (đúc)
Định dạng vật liệu: Bột, sợi
Công nghệ in 3D: Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Fused Filament Fabrication (FFF)

Cấu trúc in 3D bằng thép công cụ. Nguồn: Rapidsol

Thép không gỉ

Thép không gỉ được biết đến là vật liệu thay thế tiết kiệm hơn cho titan hoặc niken, trong khi vẫn có những đặc tính rất giá trị.

Do độ cứng và độ dẻo dai vượt trội, khả năng chống ăn mòn tốt, dễ hàn và uốn, thép không gỉ đã trở nên phổ biến trong các ngành công nghiệp hàng không, dầu khí, dịch vụ thực phẩm và chăm sóc sức khỏe.

Hợp kim thường được sử dụng: hợp kim 17-4PH và 316L
Định dạng vật liệu: Bột, sợi
Công nghệ in 3D: Direct Metal Deposition (DMD), Binder Jetting, Direct Metal Laser Sintering (DMLS), và Stratoconception

Cấu trúc lưới bằng thép không gỉ được in bằng SLM. Nguồn: azom.com

Titan

Với khả năng tương thích sinh học, độ bền, khả năng chống ăn mòn cao và có mật độ tốt, titan là một vật liệu thú vị cho các ứng dụng khắc nghiệt liên quan đến ô tô, hàng không và y tế / nha khoa.

Một ví dụ hoàn hảo về titan công nghiệp dành cho in 3D là sự hợp tác của Bugatti. Vào năm 2018, một bộ kẹp phanh chuyên dụng đã được thiết kế cho Bugatti Chiron bằng cỗ máy sử dụng công nghệ Selective Laser Melting. Mẫu kẹp phanh nguyên bản đã được tối ưu hóa với hình dáng đặc biệt hơn. Sau 45 tiếng in, bộ phận này đã được hoàn thiện và có trọng lượng nhẹ hơn tới 40%, đồng thời sở hữu khả năng chịu tải lên đến 125 kg mỗi milimet vuông.

Hợp kim thường được sử dụng: Ti6Al4V hoặc Ti64
Định dạng vật liệu: Bột, sợi
Công nghệ in 3D: Direct Energy Deposition (DED), Electron Beam Melting (EBM), Selective Laser Melting (SLM), Fused Filament Fabrication (FFF)

Phanh Calibre Titanium được in 3D cho Bugatti. Nguồn: Bugatti

Nhôm

Nhôm là một vật liệu thường được dùng cho các ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ. Nó chủ yếu được sử dụng để sản xuất các bộ phận nhẹ, phức tạp về mặt hình học, đáp ứng các tiêu chuẩn của các ngành công nghiệp này.

Nhôm có khả năng chống hóa chất, ăn mòn tốt và quan trọng nhất là có tỷ lệ cường độ trên trọng lượng tốt nhất so với bất kỳ kim loại nào. Khả năng chịu nhiệt độ cao, dẫn nhiệt, điện và dễ dàng xử lý dẫn điện cũng là những đặc tính rất quan trọng đối với các ngành công nghiệp hạng nặng.

Các hợp kim thường được sử dụng: Hợp kim AlSi10Mg, AlSi12, AlSi12Mg, Scalmalloy, ALSi7Mg, AlSi7Mg0, Al 6061 và Al 7075, AU4G1
Định dạng vật liệu: Bột, sợi
Công nghệ in 3D: Laser powder bed fusion (LPBF), electron beam powder bed fusion, binder jetting, and more rarely fused deposition modeling (FDM)

Quy trình in 3D phun kết dính và nung kết bởi Ford và ExOne với nhôm. Nguồn: ExOne

Hợp kim crom coban

Mặc dù chúng đôi khi được sử dụng trong sản xuất chi tiết động cơ, nhưng lĩnh vực sử dụng chính của vật liệu này là trong các ứng dụng y tế như phẫu thuật và cấy ghép nha khoa.

Đây là loại hợp kim hoàn toàn tương thích sinh học, bền bỉ, chống ăn mòn, chịu nhiệt cao và không có từ tính. Điều này làm cho nó trở thành một vật liệu hoàn hảo cho các ứng dụng y tế.

Các hợp kim thường được sử dụng: CoCrMo
(Các) định dạng vật liệu: Bột
Công nghệ in 3D: Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

Quy trình sản xuất bồi đắp cho ngành nha khoa. Nguồn: EOS

Hợp kim niken

Niken là một vật liệu cực kỳ linh hoạt, có khả năng kết hợp với nhiều kim loại khác. Nó phù hợp cho các ứng dụng in 3D có yêu cầu khắt khe, hợp kim niken được sử dụng trong một loạt các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, chế biến hóa chất và đóng tàu.

Do có độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt, chúng có thể được dùng trong các ứng dụng như cánh tuabin khí cho động cơ phản lực, nhà máy điện tuabin và trong các hệ thống điện hạt nhân.

Ngoài ra, các chi tiết làm bằng hợp kim niken có độ bền kéo và chống đứt gãy tốt.

Các hợp kim thường được sử dụng: Inconel 625, Inconel 713, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Hastelloy X, Haynes 282, hợp kim Amperprint 625 và 718
Định dạng vật liệu: Bột, sợi
Công nghệ in 3D: Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Selective laser melting (SLM), Fused Filament Fabrication (FFF)

Nitinol, một hợp kim titan và niken được sử dụng với khả năng ghi nhớ hình dạng, được in 3D bằng quy trình nung kết bột

Nguồn: Nghiên cứu CSIRO

Hợp kim đồng

Kim loại đồng được in 3D với công nghệ bột kim loại truyền thống, chẳng hạn như Direct Metal Laser Sintering (DMLS), in 3D kim loại đồng là khó khăn trong một thời gian dài do tính dẫn nhiệt cao của nó.

Quy trình in 3D phổ biến nhất đối với đồng là nung chảy bột, chính xác hơn là thiêu kế bằng laser có chọn lọc (SLM). Nhưng các phương pháp xử lý mới, chẳng hạn như in sợi vật liệu của Markforged Metal X (FFF), đang giúp cải thiện việc sử dụng đồng để sản xuất bồi đắp.

Nhờ khả năng dẫn nhiệt và điện tuyệt vời, cùng với các đặc tính cơ học tốt và khả năng uốn cao, các hợp kim làm từ đồng rất lý tưởng cho các ứng dụng dụng cụ, quản lý nhiệt và kỹ thuật điện, chẳng hạn như chế tạo cuộn cảm, điện cực hoặc thậm chí là bộ trao đổi nhiệt.

Hợp kim thường được sử dụng: CuNi2SiCr, CuCrZr, CuCP, Cu
Định dạng vật liệu: Bột, sợi
Công nghệ in 3D: Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Fused Filament Fabrication (FFF)

In 3D kim loại đồng bởi Beamler. Nguồn: Beamler

Kim loại quý

Kim loại quý là vật liệu in 3D lý tưởng cho các ngành công nghiệp như trang sức, đồng hồ, nha khoa và thiết bị điện tử vì nó có mức độ tự do thiết kế cao.

Tuy nhiên, việc sản xuất trực tiếp các kim loại quý này có thể là một thách thức. Hầu hết các kim loại quý (ví dụ như vàng và bạc) đều có tính phản xạ và dẫn nhiệt cao. Máy in 3D laser truyền thống không thể làm tan chảy hoàn toàn vật liệu và tạo ra chi tiết đồng nhất. Chỉ một số nhà sản xuất đã phát triển máy in 3D với công suất phù hợp để xử lý các vật liệu kim loại quý này bằng phương pháp thiêu kết kim loại trực tiếp bằng laser (DMLS) hoặc phun vật liệu.

Cũng cần lưu ý rằng bột kim loại quý có thể sẽ rất tốn kém. Vì lý do này, hầu hết các ứng dụng in 3D kim loại quý thường được sản xuất gián tiếp, với một mô hình sáp được sử dụng để đúc mẫu cháy.

Kim loại thường được sử dụng: Vàng, Bạc, Bạch kim
Định dạng vật liệu: Bột
Công nghệ in 3D: Direct Metal Laser Sintering (DMLS) và Material Jetting

Bông tai trang sức được in 3D bằng vật liệu bột vàng. Nguồn: 3Dprint.com

Kim loại chịu lửa

Kim loại chịu lửa là vật liệu bền bỉ với nhiệt độ nóng chảy cực kỳ cao. Với điểm nóng chảy cao kết hợp với độ giãn nở nhiệt thấp, độ bền cao và độ cứng làm cho vật liệu này phù hợp cho các ứng dụng công nghệ cao và điện tử công suất. Chúng cũng có tính dẫn nhiệt và dẫn điện kết hợp với khả năng chống mài mòn cao.

Trong khi tantali và niobi chủ yếu được sử dụng trong ngành y tế vì khả năng tương thích sinh học, oxy hóa tốt và ổn định hóa học, vonfram và molypden được ưu tiên sử dụng cho các ứng dụng như hàng không vũ trụ, ô tô và hạt nhân do mật độ cao và khả năng lọc bức xạ của chúng.

Do sở hữu mật độ cao, những vật liệu này (ví dụ như Vonfram) cần phải sử dụng các công nghệ in 3D ít phổ biến hơn, chẳng hạn như nung chảy electron (EBM) hoặc thậm chí lắng đọng chất lỏng kết dính bột, thay vì máy in laser truyền thống.

Kim loại thường được sử dụng: Tantali, Niobi, Molypden, Rhenium và Vonfram
Định dạng vật liệu: Bột
Công nghệ in 3D: Electron-beam melting (EBM), Laser Beam Melting (LBM), Binder Jetting

In 3D vật liệu vonfram sử dụng quy trình LBM (Laser Beam Melting). Nguồn: Viện Đất hiếm và Kim loại Chiến lược

Kết luận

Chúng ta có thể thấy rằng trong những năm qua, công nghệ và quy trình in 3D kim loại đang ngày càng được mở rộng nhờ vào sự nỗ lực của nhiều nhà sản xuất trên thế giới.

Do đó, các vật liệu mới đang được phát triển để đáp ứng nhu cầu nhiều ngành công nghiệp. Từ ô tô và hàng không vũ trụ đến an toàn hạt nhân và các ngành y tế, sản xuất bồi đắp kim loại đang cung cấp các giải pháp sáng tạo trong khi sản xuất truyền thống đạt tới giới hạn của nó. Tuy nhiên, việc hợp chuẩn hoá các chi tiết in 3D kim loại cho công nghiệp là một thách thức khác cần giải quyết.

Trên đây là một số vật liệu in 3D kim loại điển hình hiện nay. Cùng đón đọc những bài viết bổ ích trong những kỳ tiếp theo.

AIE hiện là đơn vị chuyên phân phối các sản phẩm máy in 3D, máy quét 3D, phần mềm 3D… đến từ nhiều thương hiệu uy tín trên thế giới. Liên hệ với chúng tôi nếu bạn cần tư vấn hoặc hỗ trợ.

Nguồn: https://www.aniwaa.com/insight/am-materials/metal-3d-printing-materials/