Top 5 ứng dụng cho in 3D kim loại phổ biến hiện nay

Hầu hết các chi tiết kim loại  bất kỳ nào cũng có thể được chế tạo nhanh hơn, rẻ hơn và tốt hơn với công nghệ in 3D kim loại. Cùng AIE điểm qua 5 ứng dụng hàng đầu dành cho công nghệ này.

Chỉ trong 5 năm trở lại đây, ngành công nghiệp sản xuất bồi đắp đã đạt được những tiến bộ vượt bậc về vật liệu kim loại, công nghệ mới và máy in 3D kim loại với giá thành phải chăng. Những yếu tố này kết hợp với kỹ thuật thiết kế kỹ thuật số tiên tiến là lý do tại sao in 3D kim loại được ứng dụng nhiều hơn trong các ngành từ sản xuất, chăm sóc sức khỏe cho đến hàng không vũ trụ.

Hãy xem lý do tại sao các công ty đang chuyển dần sang sản xuất bồi đắp kim loại, và những gì họ đang chế tạo.      

1/ Quy mô nhỏ & các chi tiết đặc biệt

2/ Nguyên mẫu kim loại chức năng

3/ Phụ tùng thay thế hoặc đã ngừng sản xuất

4/ Cấy ghép phẫu thuật & nha khoa

5/ Trang sức & Trang trí.

Thiết kế – Điểm khác biệt của in 3D kim loại

 

Thales Alenia Space, nhà cung cấp phụ tùng hàng không vũ trụ tại Pháp, kết hợp với 3D System để in các giá đỡ cố định ăng-ten cho các vệ tinh. (Nguồn: 3D System)

 

Hầu hết các sản phẩm hiện nay, từ đồ tiêu dùng cho đến các chi tiết cơ khí – đều được thiết kế kỹ thuật số. Tất cả các thiết kế đều được tính toán sao cho phù hợp với phương pháp sản xuất. Tuy nhiên, các kỹ sư thiết kế cho in 3D có thể bỏ qua hầu hết các hạn chế của thiết kế chế tạo truyền thống và tối ưu hóa chức năng của chi tiết đồng thời giảm thiểu vật liệu, thời gian và chi phí.

Các chi tiết cơ khí như cánh tay robot hoặc chi tiết cấu trúc như thân máy bay; các kỹ sư sẽ sử dụng phần mềm để mô phỏng ứng suất cơ học và căn chỉnh độ cứng ở những điểm cần thiết trên chi tiết. Những chi tiết này thường có cấu trúc lưới hoặc có các khoảng trống, nhưng chúng lại có thể vận hành tốt hơn các bộ phận được sản xuất truyền thống. Các bộ phận được in 3D này sẽ giúp giảm lượng kim loại tiêu thụ, giảm chi phí và trọng lượng.

Một trường hợp điển hình là Materialize – nhà cung cấp phần mềm và dịch vụ in 3D. Họ đã thiết kế lại một bộ gắp robot để có giá thấp hơn 1/3 và có trọng lượng chỉ bằng 1/4 so với ban đầu, thậm chí không cần lắp ráp.

Bởi vì in 3D kim loại có thể tạo ra các chi tiết lồng với nhau, các kỹ sư có thể thiết kế lại một chi tiết lắp ráp phức tạp thành một chi tiết duy nhất . Điều này giúp tiết kiệm thời gian và nhân công để lắp ráp các chi tiết hoặc cho quy trình hàn, đồng thời tăng hiệu quả của chi tiết cuối. Ví dụ, tổ hợp động cơ tên lửa SpaceX SuperDraco được hoàn thiện bằng in 3D với lượng chi tiết ít hơn nhiều so với phiên bản kim loại đúc trước đó.

Đó là những điểm khác biệt trong thiết kế, giờ chúng ta hãy cùng tìm hiểu sự khác biệt trong vật liệu.

Vật liệu tiên tiến thúc đẩy sự đổi mới

 

Kết dính kim loại bằng laser là một phương pháp in 3D trong đó vật thể in được tạo nên dần dần trong lớp bột kim loại. (Nguồn: Trumpf)

 

Hàng chục kim loại đa dạng và hợp kim hiệu suất cao dành cho in 3D, một số loại chuyên dụng chỉ cho in 3D. Với vật liệu đa dạng từ các loại thép không gỉ có độ cứng và độ bền cao cho đến vật liệu titan trọng lượng nhẹ và tương thích sinh học,  cùng với rất nhiều vật liệu kim loại như coban crom, nhôm, hợp kim niken, vàng, bạc, bạch kim, đồng, v.v. Hơn nữa, số lượng các nhà cung cấp kim loại đang phát triển các dòng hợp kim/kim loại độc quyền cho in 3D ngày càng tăng, từ đó mở rộng tiềm năng cho các ứng dụng khác nhau.

Kim loại in 3D thường ở dạng bột, do đó sẽ đắt hơn so với vật liệu tương tự được sử dụng trong gia công. Tuy nhiên, vì in 3D là một công nghệ sản xuất bồi đắp chứ không phải là một công nghệ cắt tiện truyền thống nên sẽ cần ít vật liệu hơn và ít lãng phí vật liệu hơn.

Những hoài nghi về độ cứng, kết cấu và độ bền của kim loại in 3D đang ngày càng phai mờ khi nhiều chi tiết in được đưa vào thử nghiệm trong hàng không vũ trụ, sản xuất, cấy ghép phẫu thuật và rất nhiều lĩnh vực sử dụng tới kim loại.

Vậy chúng ta đã hiểu được một vài lý do tại sao các công ty chọn in 3D kim loại, tiếp theo hãy cùng xem những sản phẩm mà họ in ra.

Trọng lượng thấp & chi tiết đặc biệt

 

Image of Top 5 Applications for Metal 3D Printing: Low-Volume & Specialty Parts

 Ống góp thủy lực được thiết kế bởi Gen3D và in bằng máy in 3D kim loại HBD. (Nguồn: HBD)

 

Đây là danh mục ứng dụng lớn nhất và rộng nhất cho in 3D kim loại, từ thiết bị sản xuất tới khung xe đạp cao cấp, cho đến các chi tiết robot đặc biệt.

Nhiều công ty đã chọn in 3D ngay lập tức khi họ khám phá ra những tiềm năng thiết kế với chi tiết tốt hơn, hiệu quả hơn trên phần mềm kỹ thuật mà chỉ có công nghệ in 3D sở hữu. Với các thiết kế phức tạp, chẳng hạn như ống góp thủy lực được trình bày ở trên, in 3D thường là giải pháp duy nhất.

Tương tự, khi một chi tiết kim loại đặc biệt yêu cầu các công cụ kim loại bổ trợ để tạo ra chi tiết đó, cùng với hàng loạt các quy trình hỗ trợ như hàn hoặc lắp ráp, thì in 3D thường là giải pháp nhanh hơn và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, khi số lượng sản xuất của một chi tiết tăng lên, lợi thế về chi phí của in 3D kim loại sẽ giảm xuống. Một số nhà sản xuất, chẳng hạn như BMW, đã chuyển sang sản xuất hàng loạt các bộ phận in 3D, nhưng nhìn chung nó vẫn chỉ phù hợp cho in 3D kim loại.

Đây là những công ty đã chuyển sang in 3D kim loại các chi tiết đặc dụng với quy mô nhỏ:

– NASA đã sản xuất một máy bơm nhiên liệu động cơ tên lửa bằng in 3D kim loại, với lượng chi tiết ít hơn 45% so với các máy bơm được sản xuất thông thường.

– Công ty thiết bị cố định phòng tắm Grohe cung cấp cho người tiêu dùng  của mình sản phẩm vòi in 3D với lượng vật liệu tiêu thụ chỉ bằng một nửa so với sản phẩm được sản xuất truyền thống.

– Tìm cách kéo dài tuổi thọ của các chi tiết máy quan trọng, Ulterra, một nhà sản xuất phụ tùng ngành dầu khí đã tận dụng sản xuất bồi đắp từ ExOne để sản xuất khối lượng lớn các chi tiết chịu mài mòn với chi phí thấp hơn so với các phương pháp truyền thống.

– GE Aviation 3D in các cánh tua-bin kiểu dáng đẹp cho GE9X, động cơ phản lực lớn nhất thế giới dành cho máy bay phản lực 777X – thế hệ tiếp theo của Boeing.

– Porsche đã hoàn thành bài kiểm tra độ bền của các piston được in 3D trong động cơ của 911 GT2 RS và nhận thấy các piston được in bằng hợp kim nhôm này khớp (thậm chí còn vượt trội) hơn so với các bộ phận được đúc hoặc rèn tương tự. Hơn nữa, các piston nhẹ hơn sẽ làm tăng thêm khoảng 30 mã lực.

– Nik Huber Guitars cung cấp một đàn guitar điện được in 3D bằng kim loại có thể tạo ra chất âm không thể có được từ các chi tiết truyền thống.

– Bugatti – một công ty con của Tập đoàn Volkswagen, đã phát triển một bộ kẹp phanh được in 3D bằng một loại hợp kim chuyên dùng trong các ứng dụng hàng không với độ bền và hiệu suất cao.

– Bằng cách áp dụng giải pháp in 3D kim loại từ Voestalpine, nhà sản xuất công cụ Eisenhuth đã cải thiện đáng kể cả về thời gian chu kỳ và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm khối lượng chung của công cụ.

– Thales Alenia Space và 3D Systems đã sản xuất giá đỡ titan cho vệ tinh có trọng lượng nhẹ hơn 25% với tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng tốt hơn so với các vệ tinh được sản xuất bằng phương pháp truyền thống.

Nguyên mẫu kim loại chức năng

 

Image of Top 5 Applications for Metal 3D Printing: Functional Metal Prototypes

Lumenium, một công ty có trụ sở tại Virginia phát triển loại động cơ đốt trong tiên tiến mới, giúp giảm 25% thời gian phát triển sản phẩm với giải pháp in 3D kim loại  đến từ Digital Metal. (Nguồn: Digital Metal)

 

Từ gậy đánh gôn cho đến bản lề cửa, in 3D nguyên mẫu kim loại có thể hoạt động chính xác như chi tiết kim loại được gia công là một ứng dụng điển hình khác của in 3D kim loại.

Các nguyên mẫu kim loại cứng cáp được in 3D bằng vật liệu kim loại chuyên dụng giúp cho các kỹ sư và nhà thiết kế có thể đánh giá trưc quan hơn là chỉ có vẻ ngoài và cảm nhận; Các yếu tố như khả năng sử dụng, tính công thái học và khả năng sản xuất của sản phẩm có thể được đưa vào thử nghiệm. Chi phí cao và thời gian phay hoặc đúc kéo dài khi sản xuất số lượng nhỏ các chi tiết kim loại là trở ngại phổ biến đối với các nguyên mẫu kim loại. Trong khi đó, in 3D kim loại không yêu cầu các công cụ chuyên dụng, thời gian lập trình ngắn hơn và thường có tốc độ sản xuất nhanh hơn (vài ngày so với vài tuần để phay), cho phép các kỹ sư nghiên cứu nhiều loại thiết kế hơn trong một khoảng thời gian ngắn và thu hẹp chu kỳ phát triển sản phẩm của họ. Trên thực tế, các nhà thiết kế thường có thể tạo ra các chu trình chỉ với một phần nhỏ thời gian so với các phương pháp truyền thống.

Hãy xem những công ty này đã chuyển sang in 3D kim loại cho các nguyên mẫu:

– Lumenium, một công ty có trụ sở tại Virginia phát triển loại động cơ đốt trong tiên tiến mới, giúp giảm 25% thời gian phát triển sản phẩm với giải pháp in 3D kim loại  đến từ Digital Metal.

– Nhà sản xuất phụ kiện nhà bếp và nhà tắm toàn cầu khám phá ra lợi ích của sản xuất nhanh chóng để giám sát các nguyên mẫu với các chi tiết đặc biệt, giảm tải các bước phát triển cho quy trình đúc và thực hiện sản xuất hàng loạt quy mô nhỏ với chi phí thấp hơn.

– Shukla Medical đã sử dụng hệ thống Markforged Metal X để tạo ra các nguyên mẫu dụng cụ phẫu thuật để kiểm tra trước khi sản xuất.

Phụ tùng thay thế & ngừng sản xuất

 

Image of Top 5 Applications for Metal 3D Printing: Spare & Obsolete Parts

Phụ tùng thay thế cho ô tô của Volkswagen được in 3D kim loại bởi Spare Parts 3D. (Nguồn: Spare Parts 3D)

 

Cho dù là phụ tùng thay thế tạm thời hay vĩnh viễn, việc sở hữu khả năng in các chi tiết quan trọng tại chỗ khi cần thiết khiến máy in 3D kim loại trở thành một khoản đầu tư thông minh cho nhiều đơn vị. Công nghệ in 3D đã giúp việc rút ngắn chuỗi cung ứng và sẵn sàng sản xuất các bộ phận thiết yếu tại chỗ trở nên thiết thực hơn trong tình hình đại dịch đang hoành hành.

Đặc biết đối với các nhà sản xuất thiết bị truyền thống, đây là một cuộc cách mạng giúp cho việc quản lý phụ tùng thay thế của họ trở nên tiện dụng hơn bao giờ hết. Thay vì phải lưu kho hàng nghìn phụ tùng thay thế, các nhà sản xuất chỉ việc lưu trữ kho dự liệu in kỹ thuật số, từ đó tiết kiệm không gian và khối lượng công việc. In 3D kim loại có thể tạo ra các chi tiết vật lý từ các file kỹ thuật số trong vài giờ, hoặc vài ngày đối với các bộ phận lớn hơn.

Ngoài các phụ tùng thay thế cho thiết bị hiện nay, in 3D kim loại đang giúp kéo dài tuổi thọ của những thiết bị đã ngừng sản xuất và mở rộng khả năng sửa chữa cho những loại máy móc lỗi thời. Bên cạnh đó, việc kết hợp với tính năng quét 3D để thiết kế ngược các chi tiết và tạo ra các mô hình kỹ thuật số. Công nghệ ngày nay không chỉ có thể sản xuất phụ tùng từ con số không mà còn có thể cải tiến chi tiết đó, chẳng hạn như giảm trọng lượng và khối lượng vật liệu sử dụng.

Đây là những công ty đã chuyển sang in 3D kim loại cho các phụ tùng thay thế:

– Porsche sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất phụ tùng cho những chiếc xe cổ và hiếm của mình, giúp khách hàng có thêm nhiều lựa chọn về phụ tùng quý hiếm chất lượng cao với chi phí thấp hơn.

– Deutsche Bahn đã tạo ra các bản mẫu xây dựng cho in 3D kim loại từ các bản vẽ hiện có và dữ liệu quét để sản xuất phụ tùng thay thế cho các đoàn tàu cũ một cách dễ dàng.

– U.S. Marine Corp đã phê duyệt quy trình sản xuất phụ tùng xe tăng in 3D dành cho các chi tiết gốc bị bào mòn hoặc không hoạt động được và khi không thể nhận được chi tiết gia công nhanh chóng.

– Thông qua in 3D kim loại, ArcelorMittal, một tập đoàn sản xuất thép đa quốc gia có trụ sở chính tại Luxembourg, đã có thể in các phụ tùng thay thế theo yêu cầu để giảm số lượng lưu kho.

– Mercedes-Benz cung cấp các bộ phận thay thế bằng kim loại in 3D từ catalog phụ tùng số hóa của mình.

Cấy ghép phẫu thuật & nha khoa

Image of Top 5 Applications for Metal 3D Printing: Surgical & Dental ImplantsCác chi tiết thay thế xương hông được in 3D bởi Khoa thay thế khớp tại Stryker. (Nguồn: Stryker)

 

Danh mục các thiết bị y tế ứng dụng in 3D kim loại là rất lớn, không chỉ về phạm vi mà còn về quy mô sản xuất. Khi xét về các ứng dụng dành cho in 3D kim loại, chăm sóc sức khỏe chiếm vị thế hàng đầu, với mọi thứ từ mão răng và cầu răng cho đến cấy ghép xương hông – theo báo cáo năm 2019 “Chăm sóc sức khỏe – Nền tảng của sản xuất bồi đắp” bởi  công ty nghiên cứu sản xuất bồi đắp SmarTech.

Mặc dù các phòng thí nghiệm nha khoa thực hiện khá nhiều việc in 3D với chất dẻo để tạo khuôn và gốm để sản xuất vật liệu thay thế răng, nhưng bộ phận cấy ghép in 3D từ thép không gỉ đang ngày càng phát triển.

Ngoài nha khoa, số lượng các bộ phận kim loại in 3D có thể được cấy ghép vào cơ thể con người là không hề nhỏ. Từ việc thay thế xương cho đến cấy ghép sọ hoặc stent mạch máu, lợi ích thiết yếu của việc in 3D các bộ phận cấy ghép là khả năng tùy biến và hình dạng đặc biệt.

Các bác sĩ phẫu thuật, ngày càng không hài lòng với những hạn chế của các bộ phận có sẵn, đang hưởng ứng việc thúc đẩy phong trào tiến tới các chi tiết cấy ghép được tùy chỉnh cho nhu cầu riêng của bệnh nhân. Hình dạng của nhiều bộ phận cấy ghép in 3D là không thể hoặc vô cùng khó để sản xuất bằng phương pháp truyền thống. Ví dụ như cấu trúc rỗng hình lục giác của khớp thay thế hông để hỗ trợ xương phát triển và tăng tính ổn định.

Đây là những công ty đã chuyển sang in 3D kim loại để cấy ghép:

– Swift Dental Group ở Anh đã chuyển đổi từ đúc truyền thống sang in 3D các bộ phận nha khoa bằng kim loại để tăng hiệu quả sản xuất mà không làm giảm độ chính xác với máy in của Renishaw.

– Stryker, một trong những công ty công nghệ y tế hàng đầu thế giới sử dụng in 3D để tạo ra các sản phẩm thay thế đắt hàng nhất của họ là đầu gối và xương hông.

– Toughware Prosthetics sử dụng in 3D để chế tạo ra các chi tiết nhẹ, phức tạp được làm bằng thép không gỉ nhúng đồng mà không thể đúc hoặc tạo ra bằng các phương pháp gia công thông thường.

– Graft3D Healthcare Solutions ở Chennai, Ấn Độ, đã sử dụng phần mềm của 3D Systems và in 3D kim loại để tạo ra một mô cấy ghép hàm bằng titan tuỳ chỉnh cho từng bệnh nhân.

– AK Medical triển khai một hệ thống gồm tám máy in 3D của GE Additive Arcam EBM để giải quyết nhu cầu ngày càng tăng tại Trung Quốc về cấy ghép chỉnh hình.

Trang sức & trang trí nghệ thuật

 Image of Top 5 Applications for Metal 3D Printing: Jewelry & Decorative Arts

Mặt dây chuyền Ora của nhà thiết kế Bathsheba Grossman được in bởi i.materialise. (Nguồn: i.materialise)

 

Các nghệ sĩ mở rộng tiềm năng của thiết kế với in 3D, đặc biệt là các thợ kim hoàn, những người sử dụng công nghệ để chế tạo ra những thành phẩm từ kim loại quý. Sự tự do cho những thiết kế phức tạp và tinh xảo cho phép các thợ kim hoàn đưa ra những sáng tạo độc đáo và riêng biệt mà không thể thực hiện được bằng các phương pháp truyền thống, .

Các nhà kim hoàn đã dần đổ bộ sang in 3D nhựa để đúc mẫu chảy, với chi phí sản xuất rẻ hơn và nhanh hơn so với các phương pháp truyền thống, trong khi in 3D với kim loại quý thì ít phổ biến hơn. Tuy nhiên, với sự cạnh tranh ngày càng tăng giữa các văn phòng dịch vụ in theo đơn đặt hàng trực tuyến, chẳng hạn như CraftCloud, giá cả đang dần giảm xuống ở mức hợp lý hơn.

Đây là những công ty đã chuyển sang in 3D kim loại cho đồ trang sức:

– Arlid Links, một công ty trang sức tiên tiến, đã in 3D đồ trang sức làm từ bột kim loại được trích xuất từ vũ khí trái phép bị thu giữ và phá huỷ ở các khu vực xung đột.

– Nhà thiết kế trang sức người Brazil, Veronica Nunes, đã hợp tác với văn phòng dịch vụ in 3D Star Rapid để tạo ra những thiết kế tinh xảo tuyệt đẹp.

Trên đây là một số ứng dụng quan trọng của in 3D kim loại. AIE hy vọng quý khách đã có được nhiều thông tin hữu ích, dễ dàng hơn trong việc tìm hiểu, tiếp cận và ứng dụng công nghệ này.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bài viết liên quan

error: Content is protected !!