Công nghệ AM (additive manufacturing), còn được biết đến như in 3D, đã phát triển được hơn 35 năm. Nguyên lý chế tạo chi tiết của công nghệ AM là đắp vật liệu theo các lớp liên tiếp (xếp chồng từ dưới lên trên). Các lớp này được định nghĩa bằng cách cắt mô hình 3D bởi các mặt phẳng nằm ngang (Hình 1).
Hình 1. Nguyên lý chế tạo sản phẩm của công nghệ AM
Kỹ thuật AM lần đầu tiên xuất hiện vào những năm 1980, với công nghệ Sterolithography – đây là một quá trình làm đông đặc các lớp mỏng polyme được hóa lỏng bằng chùm tia laser [1]. Ban đầu công nghệ AM được dùng với mục đích tạo mẫu nhanh. Hiện nay, AM được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ về công nghệ và vật liệu sử dụng. Do vậy AM không chỉ đơn thuần ứng dụng trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh mà còn cho phép chế tạo các chi tiết với mục đích sử dụng trực tiếp [2], đặc biệt là công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại. Công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại đã được thương mại hóa và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp chế tạo ô tô, hàng không vũ trụ.
Theo báo cáo của tổ chức Wohlers trong năm 2014, công nghệ AM được cung cấp trên thị trường thế giới tăng 38.9% tính từ năm 2013, và đạt doanh thu 2.015 tỷ USD [3]. Công nghệ AM đã và đang thu hút sự đầu tư lớn cho nghiên cứu từ các viện nghiên cứu và trường đại học, cũng như các tập đoàn công nghiệp trên toàn thế giới. Đi đầu nghiên cứu trong lĩnh vực này phải kể đến các nước có nền khoa học và công nghệ tiên tiến, như Mỹ, Đức, Pháp, Nhật và Trung Quốc. Trong năm 2015, đã có 280000 máy AM được bán trên thị trường thế giới, trong đó số máy được lắp đặt tại Mỹ chiếm 38%, tại Nhật Bản (9.7%), tại Đức (9.4%), Trung Quốc (8.7%) và Pháp (3.3%) [3]. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ AM hiện nay đang chứng tỏ là một bước đột phá trong ngành công nghệ chế tạo, đồng thời mở ra các hướng thiết kế tối ưu sản phẩm.
2. Công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại
2.1. Phân loại công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại
Trên thị trường hiện này có rất nhiều công nghệ AM được cung cấp bởi các công ty khác nhau, ví dụ: hãng EOS của Đức, Arcam của Thụy Điển, 3D systems và Optomec của Mỹ. Công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại có thể được phân chia thành nhiều nhóm khác nhau – dựa theo phương pháp chế tạo, hoặc dựa vào nguồn năng lượng sử dụng để nung chảy vật liệu kim loại (năng lượng chùm laser hay năng lượng chùm electron), hoặc dựa vào trạng thái vật liệu và phương pháp cấp vật liệu (dạng bột kim loại hay sợi kim loại).
Theo phương thức chế tạo chi tiết, các công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại được phân chia thành hai nhóm (Bảng 1):
- Powder Bed Fusion (PBF): Theo nhóm công nghệ này, các chi tiết được chế tạo từ bột kim loại. Bột kim loại được dảitheo từng lớp mỏng bàn chế tạo và được nung nóng chảy nhờ năng lượng của chùm laser hoặc electron. Một khi quá trình chế tạo lớp hiện tại hoàn thành, bàn máy sẽ thụt xuống một lượng bằng chiều dày lớp chế tạo và lớp bột mới sẽ được dải lên. Quá trình chế tạo được lặp lại cho đến khi chi tiết được xây dựng hoàn chỉnh (Hình 2 và 3).
- Derected Energy Deposition (DED): Các công nghệ này dùng đầu phun để phun bột kim loại trong chùm năng lượng laser hoặc electron.Bột kim loại nóng chảy cục bộ và được đắp trực tiếp lên chi tiết[4]–[6] (Hình 4).
Bảng1. Các công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại[18].
Nhóm công nghệ AM |
Tên công nghệ |
Công ty sản xuất |
DED |
Direct Metal Deposition (DMD) |
DM3D Technology LLC |
Construction laser additive deposition (CLAD) |
IREPA Laser |
|
Laser Engineered Net Shaping (LENS) |
Optomec Inc. |
|
Direct Manufacturing (DM) |
Sciaky Inc. |
|
PBF |
Selective Laser Sintering (SLS) |
3D Systems Corp. (Phenix Systems) |
Direct Metal Laser Sintering (DMLS) |
EOS GmbH |
|
Laser Metal Melting (SLM) |
SLM Solutions GmbH hoặc MTT technologies Group of Stone |
|
Laser Melting (LM) |
Renishaw Inc. |
|
Electron Beam Melting (EBM) |
Arcam AB |
2.2. Nhóm công nghệ PBF
Công nghệ AM dựa trên nguyên lý chế tạo theo lớp trên giường bột (PBF), đặc biệt là SLM và EBM, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
a) Công nghệ SLM
Công nghệ SLM được phát triển bởi nhiều công ty khác nhau trên thế giới, như Phenix System, Renishaw hay SLM Solutions GmbH.
Hình 2 trình bày nguyên lý làm viêc của công nghệ SLM. Năng lượng dùng để làm nỏng chảy bột kim loại được tạo bởi Yb-fiber laser có công suất từ 100 đến 400 W. Chùm tia laser được điều khiển và hội tụ tại một điểm để làm nóng chảy bột kim loại nhờ hệ thống thấu kính. Quá trình chế tạo bắt đầu bởi một lớp bột mỏng được dải lên bàn chế tạo nhờ một cơ cấu gạt bột. Chùm năng lượng laser được hội tụ và nung chảy bột kim loại tại các điểm định nghĩa bởi dữ liệu số của chi tiết. Sau khi lớp bột kim loại được nung chảy trong vùng tiết diện của chi tiết, bàn chế tạo sẽ thụt xuống một lượng bằng chiều dày lớp cắt từ mô hình CAD của chi tiết(thông thường chiều dày mỗi lớp từ 75 µm đến 150 µm). Tiếp theo một lớp bột khác lại được dải lên nhờ cơ cấu gạt bột, sau đó được nung chảy để liên kết với lớp trước đó. Quá trình này sẽ được lặp lại cho đến khi chi tiết được chế tạo hoàn chỉnh.
Trong quá trình chế tạo, các lớp bột kim loại liên tiếp được nung chảy hoàn toàn và đông đặc ở trên các lớp kế trước. Quá trình làm nóng chảy bột kim loại và quá trình đông đặc kim loại được thực hiện trong môi trường khí trơ hoặc chân không một phần.
Sau khi quá trình chế tạo chi tiết kết thúc, chi tiết sẽ được lấy ra từ giường bột. Bột kim loại không bị nóng chảy hoặc bị thiêu kết và nóng chảy một phần được dỡ bỏ và tái chế để sử dụng lại cho lần chế tạo tiếp theo. Chi tiết sau đó sẽ được làm sạch và thực hiện gia công tinh đối với những bề mặt chức năng nếu cần thiết.
ab
c
Hình 2.Công nghệ SLM: (a) Sơ đồ nguyên lý làm việc[7]; (b) nung chảy bột theo biên dạng và (c) nung chảy bột trong vùng tiết diện ngang của một lớp.
Rất nhiều loại bột kim loại khác nhau được sử dụng với công nghệ SLM như: thép không gỉ 361L, 17-4PH; thép dụng cụ H13, hợp kim nhôm Al-Si-12Mg; Hợp kim titan: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7NB, hợp kim Nickel 625, 718; hợp kim coban [8].
b) Công nghệ EBM
Công nghệ EBM được phát triển bởi công ty Arcam của Thụy Điển. Công nghệ này lần đầu tiên được đưa ra thị trường vào năm 1997. Hình 3-1 mô tảnguyên lý cấu tạo của máy EBM.Nguyên lý làm việc của công nghệ EBM được trình bày trong Hình 3-2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy EBM được mô tả như sau [9]:
Cấu tạo của máy EBM: bao gồm hai buồng chính – buồng tạo chùm electron và điều khiển chùm electron, và buồng chế tạo chi tiết. Buồng tạo chùm electron bao gồm một súng bắn ra chùm electron – tạo ra bởi một sợi vonfram được đốt nóng- với công suất 60 W và cường độ lớn nhất của chùm electron là 50 mA. Hệ thống thấu kính có thể điều khiển tốc độ quét của chùm electron lên đến 8000 m/s. Buồng chế tạo chi tiết bao gồm hai thùng cấp bột, cung cấp bột cho quá trình chế tạo, hệ thống gạt bột làm nhiệm vụdàn đều bột sau mỗi lớp được nung chảy hoàn toàn, bàn chế tạo chi tiết.Để sử dụng chùm electron chất lượng tốt nhất và giảm sự oxi hoá của vật liệu, buồng chế tạo được đặt trong môi trương chân không, áp suất khoảng 10-5mbar.
Các bước chế tạo chi tiết:Mô hình CAD của chi tiết được phân chia thành các lớp có chiều dày bằng nhau, khoảng 50 µm – 70 µm, nhờ một phần mềm chuyên dụng cho công nghệ AM (phần mềm Magics). Ban đầu, bột kim loại được dàn trên bàn chế tạo (là tấm thép không gỉ) nhờ cơ cấu gạt bột, sau đó được nung nóng và thiêu kết nhẹ bởi chùm electron, với cường độ khoảng 38 mA và tần xuất lặp là 12. Bước này gọi là preheatingnhằm bảo đảm nhiệt độ trong quá trình chế tạo ổn định ở một giá trị nhất định (phụ thuộc vào từng loại vật liệu) và tránh sự “bắn, tóe” của bộtkim loại trong quá trình chế tạo. Sau đó là quá trình nung chảy bột kim loại hoàn toàn trong vùng định nghĩa bởi chi tiết. Quá trình này được thực hiện tuần tự thông qua hai bước: contour melting– nung chảy bột kim loại theo biên dạng định nghĩa tiết diện của chi tiết, và hatching melting – nung chảy hoàn toàn bột kim loại trong vùng tiết diện của chi tiết theo các chiến lược quét cụ thể, lúc này cường độ sử dụng của chùm electron khoảng 3 – 12 mA.Sau mỗi lần một lớp được xây dựng xong, bàn chế tạo lại thụt xuống một lượng bằng chiều dày mỗi lớp cắt. Quá trình trên sẽ được lặp lại cho đến khi chi tiết được chế tạo hoàn chỉnh.
Chi tiếtsau quá trình chế tạo được bao bọc xung quanh bởi bột kim loại không bị nóng chảy hoặc bị thiêu kết. Sau đó, chi tiết được lấy ra khỏi bọc này, làm sạch và thực hiện gia công tinh đối với những bề mặt chức năng nếu cần thiết. Bột kim loại bao bọc xung quanh được tái chế để sử dụng lại cho lần chế tạo tiếp theo nhờ hệ thống PRS (Powder Recycling System). Tỷ lệ tái chế bột đạt từ 95% đến 98%.
12
Hình 3.Công nghệ EBM: (1) Sơ đồ nguyên lý làm việc[10]; (2) quá trình chế tạo một lớp: 2a – nung nóng giường bột, 2b – nung chảy đường biên, 2c – nung chảy bên trong tiết diện [11]
Vật liệu kim loại sử dụng trong công nghệ EBM cũng rất đa dạng như thép, thép dụng cụ, thép không gỉ, hợp kim nhôm, hợp tim titan, hợp kim nickel, coban[11]. Hạn chế của công nghệ EBM là vật liệu dùng chế tạo chi tiết phải dẫn điện.
2.3.Nhóm công nghệ DED
Trong nhóm công nghệ này, công nghệ DMD sẽ được giới thiệu chi tiết, công nghệ này đại diện cho các công nghệ khác thuộc nhóm DED (ví dụ, LENS và CLAD).
Nguyên lý làm việc của công nghệ DMD hoàn toàn khác so với các công nghệ PBF. Trong công nghệ này, bột kim loại nóng chảy được phun trực tiếp lên chi tiết nhờ một đầu phun đặc biệt(Hình 4). Đầu phun có ba loại vòi phun khác nhau:(i) vòi phun chùm laser (bố trí đồng trục với đầu phun); (ii) vòi phun bột kim loại và (iii) vòi phun khí bảo vệ nhằm tránh quá trình oxi hóa kim loại khi nóng chảy. Bột kim sẽ được nung chảy bằng nguồn laser trong “bể nóng chảy cục bộ” trên chi tiết.Đầu phun được điều khiển với tốc độ không đổitheo quỹ đạo sinh bởi phần mềm DMD-CAM, đựa theo tiết diện ngang của chi tiết. Chi tiết sẽ được chế tạo theo từng lớp cho đến khi hoàn thành.
Cấu tạo của một máy DMD bao gồm:Hệ thống điều khiển quá trình theo kiểu vòng phản hồi kín; Đầu phun đồng trục, hệ thống cấp bột kim loại và cấp khí bảo vệ; Phần mềm DMD-CAM 5 trục dùng cho công nghệ AM; Hệ thống hiển thị và lập trình cho người sử dụng.
Các máy DMD hiện nay, đầu phun được trang bị trên hệ thống máy điều khiển số CNC – 3, 5, hoặc 6 trục, hoặc trên hệ thống rô bốt.
Vật liệu kim loại được sử dụng trong công nghệ DMD rất đa dạng như thép, thép dụng cụ, thép không gỉ, hợp kim nhôm, hợp tim titan, hợp kim nickel,…
Hình 4.Công nghệ DMD: nguyên lý làm việc [12]
2.4.So sánh về khả năng công nghệ của DED và PBF
Một trong những điểm mạnh chính của các công nghệ PBF(SLM và EBM) là mở rộng khả năng chế tạo những chi tiết có độ phức tạp hình học cao, các chi tiết có cấu trúc rỗng(ví dụ, rãnh làm mát của khuôn, hoặc các cấu trúc tổ ong và cấu trúc tế bào). Đặc biệt, công nghệ này còn cho phép chế tạo các cấu trúc thành mỏng, dạng công xôn. Một trong những ưu điểm khác là ứng suất dư tồn tại trong chi tiết chế tạo bởi công nghệ này nhỏ. Quá trình chế tạo chi tiết trên giường bộttheolớp liên tiếp với tốc độ làm mát nhanh cho phép làm giảm và loại bỏ quá trình đối lưu và truyền nhiệt. Ngoài ra, quá trình nung nóng giường bột trước quá trình làm nóng chảy cũng là một trong những yếu tố giúp giảm ứng suất dư.
Nhược điểm của các công nghệ PBF tốc độ chế tạo thấp, kích thước sản phẩm bị hạn chế bởi kích thước chế tạo của máy(ví dụ, kích thước chế tạo cho phép của máy EBM Arcam A1 là 200 x 200 x 180 mm) và chất lượng bề mặt thấp. Ngoài ra, các công nghệ này chỉ chế tạo được chi tiết với một loại vật liệu duy nhất trong một lần cài đặt và chạy máy.
Trong khi đó, các công nghệ DED (DMD, CLAD và LENS) có tốc độ chế tạo nhanh hơn, và có khả năng chế tạo rất linh hoạt nhờ hệ thống máy điều khiển số CNC 5 trục, 6 trục hay hệ thống rô bốt. Công nghệ này còn có khả năng sửa chữa chi tiết hỏng hoặc thêm các tính năng làm việc mới cho chi tiết. Ngoài ra, công nghệ này còn cho phép chế tạo chi tiết với các vật liệu khác nhau trong một quá trình liên tục.
Nhược điểm của các công nghệ DED là ứng suất dư trong chi tiết lớn, chi tiết dễ bị biến dạng nhiệt, khả năng chế tạo các chi tiết dạng “dầm công xôn” bị hạn chế. Chất lượng bề mặt của chi tiết chế tạo bởi công nghệ DED kém hơn so với công nghệ PBF. Các công nghệ DED phù hợp khi chế tạo các chi tiết có kích thước trung bình trở lên, dùng cho quá trình sửa chữa, phục hồi và thêm các tính năng làm việc cho chi tiết. Bảng 2 tóm tắt khả năng công nghệ của DMLS, SLM, EBM và DMD.
Bảng 2. Khả năng công nghệ của các công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại[12]
Công nghệ |
DMLS |
SLM |
EBM |
DMD |
Kích thước chế tạo lớn nhất (mm x mm x mm) |
Hạn chế 250 x 250 x 210 |
Hạn chế 400 x 400 x 400 |
Hạn chế 200 x 200 x 350 |
Phạm vi rộng và linh hoạt |
Kích thước điểm hội tự của chùm năng lượng để nung chảy kim loại (mm) |
0.1 – 0.5 |
0.1 – 0.5 |
0.2 – 1 |
2 – 4 |
Tốc độ chế tạo (cm3/h) |
7 – 70 |
5 – 20 |
55 – 80 |
16 – 320 |
Xử lý chi tiết sau chế tạo |
Làm sạch, gia công tinh lần cuối |
Làm sạch, gia công tinh lần cuối |
Làm sạch, gia công tinh lần cuối |
Gia công tinh lần cuối |
Chiều dày lớp chế tạo (µm) |
20 – 100 |
20 – 100 |
50 – 200 |
500 – 1000 |
Độ nhám bề mặt chi tiết (µm) |
Ra 11 |
Ra 11 |
Ra 25 – 35 |
Ra 20 -50 Rz 150 -300 |
Độ chính xác kích thước (mm) |
0.1 – 0.2 |
0.2 |
0.4 |
0.3 |
Ứng suất dư |
Lớn hơn trong EBM |
Lớn hơn trong EBM |
Nhỏ nhất |
Lớn nhất |
Khả năng chế tạo |
Chế tạo chi tiết phức tạp, cấu trúc rỗng |
Chế tạo chi tiết phức tạp, cấu trúc rỗng |
Chế tạo chi tiết phức tạp, cấu trúc rỗng |
Chế tạo chi tết có hình dạng đơn giản, bị hạn chế khả năng chế tạo cấu trúc rỗng |
Khả năng phục hồi, thêm chức năng làm việc cho chi tiết |
Hạn chế hoặc không thực hiện được |
Hạn chế hoặc không thực hiện được |
Hạn chế hoặc không thực hiện được |
Có khả năng thực hiện được |
3.Ứng dụng của công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại
So với công nghệ gia công cắt gọt, AM rất phù hợp để chế tạo các chi tiết có cấu trúc hình học phức tạp và nhẹ. Nhờ các tính năng siêu việt trong chế tạo, AM cung cấp một tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong công nghiệp chế tạo máy bay, ô tô và trong lĩnh vực y sinh – chế tạo các bộ phận cấy ghép trong cơ thể người.
3.1. Ứng dụng trong công nghiệp chế tạo máy bay
Các chi tiết của máy bay thường có hình dạng rất phức tạp với nhiều cấu trúc dạng thành mỏng và thường được chế tạo từ các hợp kim siêu nhẹ, siêu bền như hợp kim của titan, nickel, các loại thép đặc biệt. Bằng phương pháp gia công cắt gọt thông thường, các chi tiết này được chế tạo từ phôi dạng khối hộp, do đó khối lượng vật liệu phải cắt rất lớn, tốn nhiều thời gian và năng lượng sử dụng. Thêm vào đó, các hợp kim này cũng rất khó cắt gọt, đặc biệt là titan có tính truyền nhiệt kém, dẫn đến giá thành chế tạo sản phẩm rất cao. Mặt khác, sản lượng các chi tiết chế tạo thường là nhỏ, do vậy sử dụng công nghệ AM để chế tạo các chi tiết này sẽ đạt được hiểu quả kinh tế cao. Hình 5 giới thiệu một số chi tiết của may bay được chế tạo bởi công nghệ AM.
Hình 5.Một số chi tiết của máy bay được chế tạo bởi công nghệ AM: (a) bản lề của tua-bin dùng trong máy bay Airbus A380 (Ti-6Al-4V) chế tạo bởi SLM; (b) chi tiết của máy bay Airbus A380 được thiết kế tối ưu và chế tạo bởi DMLS[nguồn: Airbus]; (c) chi tiết trong động cơ tua-bin khí của máy bay được chế tạo bởi EBM[nguồn: Arcam]
3.2.Ứng dụng trong công nghiệp chế tạo ô tô
Hiện nay ngành công nghiệp ô tô đã và đang ứng dụng công nghệ AM như một công cụ quan trọng trong quá trình thiết kế và chế tạo, bởi công nghệ AM cho phép rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và giảm giá thành chế tạo. AM được sử dụng để chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp, nhẹ và số lượng ít. Nhiều công ty và các viện nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng công nghệ AM để chế tạo các chi tiết có tính năng quan trọng trong xe đua. Hình 6 giới thiệu một số chi tiết trong ô tô được chế tạo bởi công nghệ AM.
Hình 6. Một số chi tiết của ô tô được chế tạo bởi công nghệ AM: (a) hộp giảm tốc bánh răng, chế tạo bằng EBM [nguồn: Arcam]; (b) ống xả chế tạo bằng SLM [nguồn: Concept laser]; (c) Khối động cơ đúc bằng khuôn và lõi được chế tạo bằng 3DP [nguồn: Prometal]
3.3.Ứng dụng trong phục hồi dụng cụ, khuôn mẫu
Trong lĩnh vực phục hồi sữa chữa dụng cụ khuôn mẫu, sự kết hợp giữa công nghệ AM (đặc biệt là các công nghệ DED như DMD và CLAD) và công nghệ CNCcho phép sữa chữa khuôn mẫu một cách hiệu quả[14], giảm thời gian và giá thành chế tạo khuôn mẫu. Hiện nay, sự kết hợp này cho ra đời một công nghệ mới gọi là công nghệ hybrid manufacturing. Ngoài ra, công nghệ DED (DMD và CLAD …) còn cho phép đắp lên bề mặt làm việc của khuôn một lớp vật liệu có tính năng làm việc cao hơn vật liệu nền, đảm bảo tuổi thọ lâu dài của khuôn và giảm giá thành vật liệu (Hình 7d). Hình 7 giới thiệu một số ứng dụng của công nghệ DMD.
Hình 7.Phục hồi khuôn bằng công nghệ DMD[2]: (a) trước khi sữa chữa; (b) sau khi đắp vật liệu mới bằng công nghệ DMD; (c) sau khi gia công bề mặt; (d) Bề mặt làm việc của khuôn được chế tạo bởi vật liệu khác vật liệu nền khuôn
3.4. Ứng dụng trong lĩnh vực y sinh
Gần đây công nghệ AM được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. AM được dùng để chế tạo các bộ phận cấy ghép trong cơ thể người, chế tạo răng giả trong lĩnh vực nha khoa. Các chi tiết cấy ghép thường được chế tạo từ các hợp kim có độ bền, độ chống ăn mòn cao và có đặc tính tốt về mặt sinh học, ví dụ hợp kim titan (Ti-6Al-4V). Mặt khác, khối lượng của các chi tiết cấy ghép được thiết kế nhẹ nhất có thể nhưng vẫn đảm bảo được chức năng làm việc. Với những yêu cầu đó, các công nghệ AM, như EBM và SLM, là lựa chọn hoàn toàn phù hợp. Với khả năng cho phép chế tạo các chi tiết phức tạp, các nhà thiết kế có thể tối uu hóa về mặt hình học của chi tiết và tích hợp các cấu trúc dạng xốp bên trong chi tiết cấy ghép. Hình 8 và Hình 9 giới thiệu các chi tiết cấy ghép chế tạo bởi công nghệ EBM và SLM.
Hình 8.Ứng dụng AM trong y sinh[2]: (a) Mẫu xương ổ đỡ (Ti-6Al-4V), thiết kế với độ xốp cao, chế tạo bằng EBM; (b) Răng giả (Ti-6Al-4V), chế tạo bằng SLM; (c) – “Cầu răng 3 nhịp” (vật liệu CL 111 CoCr), chế tạo bởi SLM
Hình 9.Ứng dụng AM trong y sinh[2]: (a) Xương hông với thiết kế dạng lưới, dạng lỗ và dạng đặc (Ti-6Al-4V), chế tạo bằng EBM; (b) Xương hông được thiết kế dạng xốp bên trong (Ti-6Al-4V), chế tạo bởi LENS
4. Kết luận
Sự phát triển của công nghệ AM, đặc biệt là các công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại, đang mở ra một kỷ nguyên mới trong ngành công nghiệp chế tạo và là một yếu tố quan trọng của xu hướng cách mạng công nghiệp 4.0. Công nghệ AM ngày nay không chỉ dừng lại ở mức độ tạo mẫu nhanh mà còn cho phép chế tạo các sản phẩm được sử dụng trực tiếp trong các lĩnh vực khác nhau – công nghiệp chế tạo ô tô, máy bay, chế tạo dụng cụ và khuôn mẫu, hay trong lĩnh vực y sinh.
Mặc dù công nghệ AM ra đời với nhiều tính ưu việt – cho phép nhà thiết kế đề ra các ý tưởng thiết kế các chi tiết có độ phức tạp hình học cao (điều mà trong thiết kế trong công nghệ truyền thống không thể thực hiện được), từ đó cho phép sử dụng vật liệu hiệu quả, tiết kiệm năng lượng chế tạo, đồng thời giảm thiểu các chất thải ra môi trường.Tuy nhiên các công nghệ này vẫn đặt ra nhiều bài toán cho các nhà nghiên cứu và các công ty sản xuất. AM vẫn là công nghệ mới cần đầu tư nghiên cứu và cải thiện không ngừng. Một số vấn đề được quan tâm nghiên cứu hiện nay bao gồm:
- Cải thiện chất lượng chi tiết chế tạo bởi công nghệ AM, đặc biệt là chất lượng bề mặt của chi tiết còn thấp. Chất lượng của chi tiết phụ thuộc vào nhiều thông số công nghệ. Bài toán lựa chọn hợp lý bộ tham số công nghệ cho từng loại vật liệu khác nhau cần phải thực hiện nhiều nghiên cứu trong tương lai.
- Các bài toán liên quan đến thiết kế sản phẩm chế tạo bởi công nghệ AM đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu. Xuất phát từ điều kiện làm việc của chi tiết, bài toán tối ưu hóa hình dạng hình học của chi tiết được nghiên cứu dựa trên các ràng buộc về khả năng chế tạo, ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chi tiết, bài toán biến dạng nhiệt.
- Hiện nay giá thành các máy AM sử dụng vật liệu kim loại và vật liệu đầu vào (bột kim loại) còn rất đắt. Do vậy công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại chủ yếu được nghiên cứu ở các nước phát triển và ứng dụng trong các tập đoàn công nghiệp lớn. Tính phổ biển của công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại vẫn đang còn hạn chế. Do đó nghiên cứu và cải thiện công nghệ nhằm giảm giá thành chế tạo và giá thành vật liệu sử dụng là rất cần thiết.