Sản xuất bồi đắp với vật liệu tổng hợp trong hàng không vũ trụ và quốc phòng

Jordan Weininger là một kỹ sư Vật liệu tổng hợp tiên tiến của Không quân Hoa Kỳ. Ông làm việc tại Văn phòng Vật liệu tổng hợp tiên tiến tại Căn cứ Không quân Hill. Và cuộc phỏng vấn kỹ sư này về ứng dụng sản xuất bồi đắp của Bộ Quốc phòng đã cho thấy ảnh hưởng ngày càng lớn của in 3D trong ngành công nghiệp

 

Các công nghệ sản xuất đang ngày càng đa dạng. Nhưng khi ấy lại xuất hiện thách thức là làm thế nào để ứng dụng được những công nghệ này vào các ngành công nghiệp sao cho hiệu quả và thực sự tạo ra sự khác biệt. Không chỉ là công nghệ mới hỗ trợ đẩy nhanh quy trình, mà cần đảm bảo quy trình ấy sẽ luôn vận hành và lặp lại chính xác cũng như đạt được những giới hạn B-basis — các đặc tính cơ học tối thiểu cần được đáp ứng để thiết kế một bộ phận bằng vật liệu cụ thể. Đó chính là các vấn đề cần xem xét khi ứng dụng công nghệ in 3D trong bất kỳ lĩnh vực nào.

Thông qua công việc hiện tại và kinh nghiệm của tôi về phụ tùng từ vật liệu composite tại Căn cứ Không quân Hill, tôi rất may mắn khi được biết đến các ứng dụng của công nghệ sản xuất tiên tiến trong ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng , cũng như những tác động lớn hơn của công nghệ in 3D công nghiệp bên ngoài Bộ Quốc phòng.

Nghiên cứu phụ tùng từ sợi tổng hợp trong Không quân Hoa Kỳ

 

Composite là loại vật liệu đã được ứng dụng vào ngày càng nhiều ngành công nghiệp. Mong muốn được làm việc trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển vật liệu này đã đưa tôi đến Không quân, và cụ thể là đến Văn phòng nghiên cứu Composites Nâng cao. Đây là một văn phòng của Không quân, nhưng chúng tôi có nhiệm vụ hỗ trợ tất cả các tổ chức của Bộ Quốc phòng. Ngoài các vấn đề về thiết kế, phân tích, kỹ thuật và sửa chữa các chi tiết, phụ tùng được làm từ composite, chúng tôi còn hướng dẫn các khóa học kéo dài một tuần cho các tổ chức của Bộ Quốc phòng và nhân viên của họ. Các khóa học này bao gồm chương trình giảng dạy giới thiệu về kỹ thuật composite và khóa đào tạo kỹ thuật viên nâng cao. Trong các khóa học này, sinh viên từ khắp Bộ Quốc phòng có thể có được kinh nghiệm thực tế trong việc thiết kế và sửa chữa phụ tùng từ composite.

Sự mở rộng công nghiệp của in 3D

Trong thời gian làm việc trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, tôi đã thấy vô số câu chuyện về việc giải quyết các vấn đề về tạo mẫu bằng in 3D cho các doanh nghiệp, đặc biệt là các doanh nghiệp nhỏ. Trong vòng đời sản xuất của doanh nghiệp nhỏ, khả năng tạo mẫu các thành phần chức năng trước khi thực hiện các bước cần thiết để tăng sản lượng hàng loạt là rất quan trọng để thành công.

Với các vật liệu in đa dạng ngày nay — từ kim loại đến vật liệu tổng hợp đến nhựa nhiệt dẻo, một tầm phát triển mới hoàn toàn so với khi chỉ có PLA — in 3D cho phép các kỹ sư kiểm tra độ vừa vặn và chức năng, và nó thực sự cung cấp phương tiện số hóa cần thiết để đưa ra trường hợp kinh doanh trong giai đoạn đầu phát triển sản phẩm. Công nghệ in 3D làm phong phú thêm rất nhiều bước quan trọng trong quy trình thiết kế giúp giải quyết các vấn đề sản xuất dễ dàng hơn.

Tôi nghĩ chúng ta sẽ thấy sự phát triển của sản xuất bồi đắp trong sản xuất các chi tiết như giá đỡ và bản lề, giá đỡ và dụng cụ hỗ trợ trong xưởng. Trong tương lai gần, chúng ta sẽ thấy in 3D bao gồm không gian các bộ phận chức năng sử dụng cuối. Trước đây, nó được sản xuất với PLA, thứ mà mọi người đều có thể in trong gara của họ. Bây giờ, với các công ty như Markforged có thể in vật liệu composite và kim loại, những vật liệu mạnh hơn và hữu ích hơn này mở ra một cánh cửa hoàn toàn mới cho sản xuất bồi đắp.

 

Chất lượng và độ bền của vật liệu có sẵn cho in 3D thay đổi các lựa chọn kinh tế và công nghệ cho mọi loại hình doanh nghiệp. Bây giờ, nếu đó là một bộ phận sản xuất thấp, in 3D rẻ hơn so với việc chạy khuôn hoặc thành các bộ phận CNC từ phôi. Điều này thực sự mở ra cánh cửa cho một loạt các ngành công nghiệp mới áp dụng in 3D.

Tại sao Không quân lại ứng dụng công nghệ in 3D?

 

Các ứng dụng trực tiếp của in 3D trong không quân và quân đội cũng đang phát triển. Có hai lĩnh vực chính áp dụng trực tiếp vào việc sử dụng sản xuất bồi đắp của quân đội.

1. Sản xuất hàng loạt nhỏ: Đối với máy bay, chúng tôi không sản xuất hàng trăm nghìn bộ phận như cách các doanh nghiệp sản xuất hàng loạt các bộ phận sản xuất. Các ứng dụng hàng không vũ trụ và quân sự chủ yếu là các đợt sản xuất nhỏ và đôi khi các bộ phận này có thể được sản xuất ngay tại hiện trường tùy thuộc vào công nghệ in 3D có sẵn.
2. Sản xuất phân tán: Sức mạnh của sản xuất bồi đắp cũng nằm ở các đặc tính phân tán của nó. Khi máy in 3D có thể được đặt giá rẻ trên nhiều cơ sở khác nhau, nếu có thứ gì đó bị hỏng, bạn không phải vận chuyển một bộ phận mới từ khắp nơi trên thế giới. Bạn không còn phụ thuộc vào một nhà cung cấp nào khi đã có công nghệ sản xuất bồi đắp. Những chiếc máy in có thể tạo ra các bộ phận tại chỗ và ngay lập tức.

Do những yếu tố này, tôi thấy sản xuất đắp dần có vai trò lớn hơn nhiều trong các ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ.

Ứng dụng công nghệ in 3D cho việc sửa chữa máy bay cũ – MRO

Những chiếc máy bay quân sự đã cũ đang được lưu giữ

Văn phòng nghiên cứu phụ tùng composite tiên tiến có nhiệm vụ tìm ra các giải pháp trong thiết kế, phân tích, kỹ thuật và sửa chữa vật liệu composite, cụ thể là thông qua Trung tâm quản lý vòng đời sản phẩm, bao gồm sửa chữa máy bay cũ. Thông thường, các công cụ ban đầu cho máy bay đã bị phá hủy hoặc thất lạc, và chúng tôi có thể sử dụng phương pháp in 3D để có khả năng tạo ra các bộ phận thay thế mới và sửa chữa cho những máy bay đó để chúng có thể bay.

Một trong những mục tiêu chính của tôi là phát triển công cụ phụ gia để chúng tôi có thể tạo ra vật liệu tổng hợp cho những chiếc máy bay đó. Khi tạo ra các bộ phận cho một chiếc máy bay cũ mà chúng tôi không còn công cụ hoặc dữ liệu CAD nữa, đôi khi chúng tôi tạo bản quét 3D của một bộ phận hiện có và sau đó quay lại từ đó để tạo ra một mô hình mà chúng tôi có thể in 3D và sử dụng làm công cụ cho bộ phận đó.

 

In 3D các chi tiết, bộ phận trong Không quân với vật liệu tổng hợp

Collin Fisher, Phi đội bảo dưỡng hàng hóa số 533, làm việc với bộ phận máy bay lắp ráp cánh F-16

Khi nói đến văn phòng nghiên cứu phụ tùng composite tiên tiến, chúng tôi quan tâm đến in 3D theo góc nhìn vật liệu composite và cách nó có thể giúp ích cho quy trình sản xuất. Hiện nay, nhiều công ty sử dụng các bộ phận in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) quy mô lớn để gia công, nhưng họ phải gửi các bộ phận máy sau khi chúng ra khỏi máy in trước khi chuẩn bị chúng cho phòng thí nghiệm vật liệu composite. Điều này có nghĩa là họ phải in 3D bản vẽ CAD hoặc mô hình CAD chính xác, sau đó đặt bản vẽ này lên máy CNC, gia công lại và sau đó chuẩn bị cho quá trình xếp lớp vật liệu composite với hỗn hợp chất trám kín để làm cho nó kín chân không và chất chống dính khuôn. Đây là một bước — đưa nó lên CNC — mà chúng tôi muốn loại bỏ vì nó làm mất đi rất nhiều lợi thế của công cụ sản xuất bồi đắp.

Theo quan điểm của tôi, rất nhiều lợi thế của công cụ sản xuất bồi đắp là bạn có được một bộ phận chính xác với thiết kế CAD của mình một cách nhanh chóng và dễ dàng. Nếu bạn phải gia công khuôn đó trước khi sử dụng nó để tạo ra một bộ phận tổng hợp, thì bạn cũng có thể sử dụng một số loại bảng công cụ, sẽ rẻ hơn nhiều và cũng dễ gia công như vậy. Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể loại bỏ bước gia công sau, bạn có thể tiết kiệm được rất nhiều thời gian và năng lượng. Nếu chúng ta sản xuất một bộ phận in 3D với bề mặt hoàn thiện chân không mà không cần gia công sau, chà nhám bằng tay hoặc bất kỳ điều gì có thể làm giảm độ chính xác của hình học, tôi có thể thấy một thế giới mà sản xuất bồi đắp được sử dụng rộng rãi cho công cụ tổng hợp. Đó là một lĩnh vực tác động thực sự cao chỉ mới xuất hiện trong tương lai đối với in 3D.