Hầu hết chúng ta thường nghĩ về in 3D theo một khía cạnh rất nhỏ là các vật thể rắn ba chiều đơn giản được in từ một file máy tính. Tuy nhiên, những công ty công nghiệp lớn như General Electric (GE) đã nâng khái niệm này lên tầm cao mới và mở rộng ứng dụng in 3D để tạo ra những linh kiện phức tạp từ kim loại.

In 3D hay còn gọi là sản xuất đắp lớp (Additive Manufacturing-AM) là kỹ thuật in đắp từng lớp vật liệu (layer by layer) xếp chồng lên nhau. Công nghệ AM đã có mặt hơn 3 thập kỷ qua, chủ yếu sử dụng vật liệu polyme. Những tiến bộ khoa học gần đây cho phép sản xuất ra những linh kiện kim loại phức tạp đã tạo ra tiếng vang lớn cho ngành sản xuất đắp lớp. 

Sự vươn lên mạnh mẽ của công nghệ in 3D

GE Additive (công ty thuộc tập đoàn General Electric) và công ty phân tích ngành SmartTech Publishing ước tính 13 tỷ đô la đã được chi cho các dịch vụ, phần mềm, vật liệu và máy in 3D từ năm 2014 đến năm 2018, một nửa trong số đó được chi trong năm 2017. Theo dự báo, khoảng 280 tỷ đô la sẽ được đầu tư vào ngành AM trong thập kỷ tiếp theo.  

Wohlers Associates, một công ty của Hoa Kỳ chuyên về công nghệ in 3D đã xuất bản báo cáo thường niên về AM trong vòng 23 năm. Theo đó, ngành AM toàn cầu đã tăng trưởng 21% từ năm 2016 đến năm 2017, đạt giá trị thị trường 7,3 tỷ đô. Công ty ước tính có 1,768 hệ thống AM kim loại đã được bán ra trong năm 2017, tăng gần 80% so với năm trước vì “các nhà sản xuất toàn cầu đã bắt đầu chú ý đến những lợi ích của AM trong việc sản xuất linh kiện kim loại.”

Trên toàn cầu có 135 công ty chuyên sản xuất và bán hệ thống AM trong năm 2017, tăng từ 97 công ty năm 2016. Những hệ thống này được định nghĩa là máy móc với giá hơn 5.000 đô la mỗi cái. Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy với nền tảng vật liệu mở, có tốc độ in nhanh hơn và giá thấp hơn bao giờ hết.

Sản xuất đắp lớp sử dụng dữ liệu từ phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính (computer-aided-design CAD) hoặc máy quét vật thể 3D để điều chỉnh phần cứng, đắp từng lớp vật liệu lên nhau với hình dạng hình học chính xác. Công nghệ AM sẽ thêm các lớp vật liệu siêu mỏng để tạo ra vật thể, trong khi đó quy trình tuyền thống sẽ loại bỏ vật liệu bằng kỹ thuật gia công, chạm khắc và tạo hình.

 Công nhân đang kiểm tra một chi tiết được in 3D với máy M2 LaserCusing của GE Additive

Tại Việt Nam, nhà máy GE Hải Phòng một trong năm nhà máy thông minh của General Electric trên toàn thế giới chuyên sản xuất máy phát điện cho tuabin gió và các linh kiện hệ thống điều khiển điện đang ứng dụng công nghệ AM tiên tiến nhất hiện nay. Có một điểm khá đặc biệt là trong số 23 nhà máy mà GE đang hoạt động tại 15 quốc gia tại khu vực châu Á - Thái Bình Dương thì chỉ có nhà máy ở Hải Phòng và nhà máy Hino (tại Nhật Bản) được xây dựng theo 4 trụ cột mới của tập đoàn: sản xuất tinh gọn, hiệu suất kỹ thuật số cao, sản xuất tiên tiến và sản xuất đắp lớp (AM).

Với việc hiện nay các công nghệ thực tế ảo (Virtual Reality) và thực tế ảo tăng cường (Augmented Reality) ngày càng được ứng dụng nhiều trong quá trình thiết kế và sản xuất sẽ cho phép tạo ra linh kiện với các hình dạng hình học hết sức phức tạp bên trong từ một máy tính. Theo đó, khả năng in các linh kiện chuyên dụng từ các hợp kim kim loại là bước ngoặt thúc đẩy mạnh mẽ dòng vốn đầu tư mạnh mẽ vào ngành AM vốn đã được nhiều ông lớn trong làng công nghệ chú ý đến trong những năm qua.

Tạo ra bước đột phá hàng không đến y tế

Với những ứng dụng đột phá của mình thì ngành sản xuất động cơ phản lực cho máy bay vốn cần rất nhiều linh kiện điện tử và máy móc phức tạp chính là lĩnh vực mà công nghệ AM sẽ thực sự “tỏa sáng”.

 Một số sản phẩm được tạo ra với công nghệ in 3D của GE

Theo GE Aviation, công ty động cơ phản lực lớn nhất thế giới hiện nay thì nhà sản xuất này đang ứng dụng công nghệ in 3D để sản xuất vòi phun nhiên liệu cho động cơ phản lực bằng cách in linh kiện bằng laster thay vì đúc và hàn kim loại.

Đây là một chi tiết nhỏ đến mức có thể nắm trong lòng bàn tay và có cấu tạo hết sức phức tạp, nó được chế tạo từ một lớp bột coban-crom trong khi tia laser được điều khiển bằng máy tính bắn các chùm tia chính xác lên lớp bột để làm chảy hợp kim kim loại trong những vùng mong muốn, tạo ra từng lớp một với độ dày 20 micromet. Công nghệ in 3D đã giúp linh kiện mới nhẹ hơn 25%, bền hơn gấp năm lần và giúp tiết kiệm 30% chi phí so so với việc sản xuất bằng công nghệ cũ.

Ông Chris Schuppe, đội trưởng của GE Additive AddWorks tiết lộ trong báo cáo tháng 11/2018 của GE rằng vòi phun nhiên liệu mới này được xếp từ 3.000 lớp kim loại dạng bột có độ dày bằng một sợi tóc người. Có lẽ đây cũng là một trong những yếu tố tạo nên sự thành công vang dội của dòng động cơ phản lực LEAP mà CFM International, liên doanh 50:50 giữa GE Aviation and hãng Safran Aircraft Engines của Pháp đã phát triển.

Không chỉ tạo ra đột phá trong ngành hàng không, công nghệ in 3D còn có những ứng dụng hết sức thú vị trong lĩnh vực y tế như trong phẫu thuật thay khớp hông thì đã sử dụng các bộ phận in 3D trong hơn một thập kỷ qua.

Bác sĩ phẫu thuật người Ý Guido Grappiolo là người đầu tiên đề xuất thủ thuật này khi có một bệnh nhân cần thay thế xương hông tới gặp ông vào năm 2007. Bác sĩ đã trực tiếp làm việc với nhà sản xuất cấy ghép chỉnh hình và nhà sản xuất máy in 3D Arcam (sau này thuộc GE Additive) để phát triển ổ cối in 3D đầu tiên cho khớp hông. Ổ cối bằng titan được lắp cho bệnh nhân nữ đầu tiên vẫn đang hoạt động rất tốt. Từ đó, hơn 100.000 bệnh nhân khác đã được phẫu thuật thay khớp hông với ổ cối in 3D.

Theo Enternews