Sản xuất bồi đắp với vật liệu tổng hợp trong ngành Hàng không Vũ trụ và An ninh Quốc phòng

Thông tin chi tiết từ một kỹ sư không quân về các ứng dụng của DoD trong sản xuất bồi đắp và sức ảnh hưởng ngày càng tăng của in 3D trong ngành này.

Jordan Weininger là một kỹ sư vật liệu tổng hợp cấp cao cho Lực lượng Không quân Hoa Kỳ. Anh ấy làm việc tại Văn phòng vật liệu Tổng hợp cấp cao ở Căn cứ Không quân Hill. Những ý kiến mà Jordan Weininger chia sẻ ở đây dựa trên kinh nghiệm của bản thân và không phản ánh quan điểm nào của Lực lượng Không quân Hoa Kỳ.

Các công nghệ sản xuất trong tương lai đã đầy đủ nhưng thách thức ở đây là làm sao để ứng dụng những công nghệ này vào các ngành công nghiệp để tạo ra sự khác biệt. Đây không chỉ là việc tạo ra công nghệ mà còn đảm bảo để bạn có được quy trình lặp lại dựa trên cơ sở B – các đặc tính cơ học tối thiểu ở mức cho phép cần có để thiết kế một chi tiết bằng vật liệu cụ thể nhằm triển khai công nghệ mới này trên thực tế.

“Thông qua công việc hiện tại của tôi trong lĩnh vực kỹ thuật vật liệu tổng hợp với nhóm vật liệu tổng hợp tiên tiến tại Căn cứ không quân Hill, tôi đã may mắn có được cái nhìn sâu sắc về các ứng dụng của công nghệ sản xuất bồi đắp trong ngành công nghiệp hàng không và quốc phòng, cũng như những tác động to lớn của in 3D bên ngoài DoD”. 

F-16 Fighting Falcon departs Hill Air Force Base (Máy bay F-16 Fighting Falcon khi ở ngoài Căn cứ không quân Hill)

Kỹ thuật vật liệu tổng đối với Lực lượng không quân Hoa Kỳ

Kỹ thuật vật liệu tổng hợp là lĩnh vực được áp dụng ngày càng nhiều vào các ngành công nghiệp mỗi năm. Mong muốn được làm việc trong lĩnh vực này đã đưa tôi đến với lực lượng không quân, và đặc biệt là văn phòng vật liệu tổng hợp cấp cao. Đây là văn phòng của lực lượng không quân, nhưng chúng tôi hỗ trợ tất cả các tổ chức của DoD. Ngoài các vấn đề về thiết kế, phân tích, kỹ thuật và sửa chữa vật liệu tổng hợp, chúng tôi cũng hướng dẫn các khóa học kéo dài một tuần cho các tổ chức của DoD và nhân viên của họ. Các khóa học này bao gồm chương trình giới thiệu về kỹ thuật vật liệu tổng hợp và khóa đào tạo kĩ thuật viên nâng cao. Trong các khóa học này, sinh viên từ khắp nơi của DoD có thể thực hành kinh nghiệm thiết kế và sửa chữa vật liệu tổng hợp.

Mở rộng ngành công nghiệp in 3D

Trong thời gian làm việc ở nhiều ngành công nghiệp khác nhau, tôi đã thấy vô số câu chuyện về sản xuất bồi đắp giúp giải quyết các vấn đề về tạo mẫu nhanh cho doanh nghiệp, đặc biệt là các doanh nghiệp nhỏ. Trong vòng đời sản xuất của các doanh nghiệp nhỏ, khả năng tạo mẫu các linh kiện chức năng trước khi bước vào sản xuất hàng loạt là rất quan trọng.

Ngày nay, với các vật liệu in đa dạng – từ vật liệu kim loại đến composite cho đến nhựa nhiệt dẻo dễ sử dụng hơn cả nhựa PLA – in 3D cho phép các kỹ sư kiểm tra chức năng và tính phù hợp của vật liệu và nó thực sự cung cấp phương tiện số hóa cần thiết để tạo ra một bước đệm kinh doanh trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển sản phẩm. Nó không nhất thiết phải là một phần của sản xuất bồi đắp để giải quyết hoàn toàn vấn đề mà là in 3D nói chung. Công nghệ in 3D làm phong phú thêm rất nhiều bước quan trọng trong quá trình thiết kế giúp giải quyết các vấn đề sản xuất dễ dàng hơn.

Tôi nghĩ rằng chúng ta sẽ chứng kiến sự tăng trưởng của sản xuất bồi đắp trong lĩnh vực công cụ như sản xuất giá đỡ, bản lề, đồ gá và các công cụ hỗ trợ xưởng sản xuất. Trong tương lai gần, chúng ta sẽ thấy in 3D in được cả không gian cho các linh kiện chức năng đầu cuối. Nó được làm từ PLA, có thể in được ngay tại xưởng. Giờ đây, với việc các công ty như Markforged có thể in các vật liệu cứng và hữu ích như composite và kim loại đã mở ra một tương lai hoàn toàn mới cho sản xuất bồi đắp.

Chất lượng và độ cứng của vật liệu in 3D có sẵn đã thay đổi các lựa về chọn kinh tế và công nghệ đối với tất cả loại hình kinh doanh. Giờ đây, nếu là chi tiết sản xuất số lượng ít thì in 3D sẽ rẻ hơn so với việc làm khuôn hoặc các chi tiết gia công CNC từ phôi. Điều này thực sự mở ra cánh cửa cho một loạt các ngành công nghiệp mới bằng việc ứng dụng in 3D.

Tại sao Lực lượng không quân đang chuyển sang sản xuất bồi đắp?

Công việc bảo dưỡng C-130 tại Căn cứ Không quân Hill

Các ứng dụng trực tiếp của in 3D dành cho lực lượng không quân và quân đội cũng đang phát triển. Có 2 lĩnh vực chính áp dụng trực tiếp cho việc sử dụng sản xuất bồi đắp trong quân đội.

• Sản xuất nhỏ hàng loạt: Đối với máy bay, chúng tôi không tạo ra hàng trăm nghìn chi tiết giống như cách bạn làm ra chi tiết sản xuất mà sẽ sản xuất chúng một cách chính xác. Các ứng dụng hàng không vũ trụ và quân sự chủ yếu là các hoạt động sản xuất nhỏ và đôi khi các chi tiết này có thể được sản xuất ngay tại chỗ nhờ vào công nghệ sản xuất bồi đắp sẵn có.
• Sản xuất phân tán: Sức mạnh của sản xuất bồi đắp cũng nằm ở đặc tính phân tán của nó khi máy in 3D có thể được lắp đặt chỉ tốn ít chi phí tại nhiều cơ sở sản xuất khác nhau. Nếu có chi tiết nào đó bị hư hỏng, bạn không cần phải nhập linh kiện mới từ khắp nơi trên thê giới. Bạn không phải lo lắng vì chỉ dựa vào một nguồn sản xuất bồi đắp duy nhất khi mà nhiều máy in ở nhiều địa điểm có thể tạo ra các chi tiết bạn cần.

Nhờ những yếu tố này, tôi thấy sản xuất bồi đắp đang khẳng định một vai trò lớn hơn nhiều trong các ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ.

Công cụ sản xuất bồi đắp đối với sửa chữa máy bay cũ, hỏng – MRO

Ảnh chụp máy bay quân sự đã ngừng hoạt động nhìn từ trên cao

Văn phòng vật liệu tổng hợp cấp cao có nhiệm vụ tìm kiếm các giải pháp thiết kế, phân tích, kỹ thuật và sửa chữa vật liệu tổng hợp. Đặc biệt là thông qua Trung tâm quản lí vòng đời sản phẩm chuyên phục vụ việc sửa chữa máy bay cũ. Thông thường, đối với linh kiện ban đầu của máy bay đã bị phá hủy hoặc thất lạc, chúng tôi có thể sử dụng công nghệ sản xuất bồi đắp để tạo ra linh kiện mới cho máy bay đó nhằm bảo đảm cho chúng hoạt động trở lại.

Một trong những mục tiêu chính của tôi là phát triển khuôn sản xuất bồi đắp để chúng tôi có thể tạo ra vật liệu tổng hợp cho những chiếc máy bay đó. Khi chế tạo chi tiết cho một chiếc máy bay cũ nếu như không còn khuôn hoặc dữ liệu CAD nữa, chúng tôi sẽ tạo ra một bản quét 3D của chi tiết hiện có và quay lại từ bản quét đó để tạo ra mô hình, sau đó đem đi in 3D và sử dụng chúng để làm khuôn cho chi tiết.

Sản xuất bồi đắp đối với khuôn vật liệu tổng hợp

Collin Fisher, Phi đội Bảo dưỡng sản phẩm số 533 đang làm việc với chi tiết lắp ráp cánh máy bay F-16

Khi nhắc đến văn phòng vật liệu tổng hợp cấp cao, chúng tôi quan tâm đến việc in 3D ở góc độ vật liệu tổng hợp và cách nó có thể giúp ích cho quá trình sản xuất. Hiện nay, nhiều công ty sử dụng các chi tiết in 3D theo phương pháp nóng chảy lắng đọng (FDM) quy mô lớn để làm khuôn, nhưng họ phải niêm yết các chi tiết máy sau khi tháo chúng ra khỏi máy in trước khi mang vào phòng thí nghiệm vật liệu tổng hợp. Điều này có nghĩa là họ phải in 3D từ một bản vẽ CAD hoặc mô hình CAD chính xác, tiếp theo đưa nó lên máy CNC, gia công lại, và sau đó chuẩn bị cho quá trình đắp tay vật liệu tổng hợp với một hỗn hợp chất trám kín để hút chân không và các chất tách khuôn. Đây chính là bước đưa mẫu in vào máy CNC mà chúng tôi muốn loại bỏ vì nó làm mất rất nhiều lợi thế của khuôn sản xuất bồi đắp.

Theo quan điểm của tôi, có rất nhiều lợi thế của sản xuất khuôn bồi đắp điển hình như bạn có được một chi tiết chính xác cho thiết kế CAD của mình một cách nhanh chóng và dễ dàng. Nếu bạn phải đưa khuôn đó lên máy gia công trước khi sử dụng nó để chế tạo một chi tiết tổng hợp, bạn cũng có thể sử dụng một số loại bảng điều khiển lắp ghép khuôn, loại này sẽ rẻ hơn và dễ chế tạo hơn. Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể loại bỏ bước hậu gia công, bạn có thể tiết kiệm đáng kể thời gian và công sức. Nếu chúng tôi sản xuất một chi tiết in 3D với bề mặt được hoàn thiện bằng phương pháp hút chân không mà không cần hậu gia công, chà nhám bằng tay hoặc bất cứ thứ gì mà bạn có thể thực hiện làm giảm độ chính xác của hình học, tôi có thể thấy một thế giới nơi mà sản xuất bồi đắp được sử dụng rộng rãi dành cho khuôn vật liệu tổng hợp. Đó là một lĩnh vực có sức ảnh hưởng thực sự lớn từ in 3D.