In 3D công nghệ SLM vật liệu kim loại

SLM (hàn chảy laser chọn lọc) là công nghệ in 3D làm nóng chảy bột kim loại và xếp theo lớp để tạo ra vật thể cần in. Khác với công nghệ DMLS, công nghệ SML làm nóng chảy toàn bộ bột kim loại bằng nhiệt độ cao hơn.

1. SLS – In 3D công nghệ “hàn đắp laser chọn lọc”.
2. DMLS – In 3D công nghệ “hàn đắp laser trực tiếp”.
3. SLM – In 3D công nghệ “hàn chảy laser chọn lọc”.
4. EBM – In 3D công nghệ “hàn chảy chùm electron”.
5. EBF3 – In 3D công nghệ làm nóng chảy bằng chùm electron hình dạng bất kỳ.
6. Xu hướng phát triển của các công nghệ in 3D kim loại trong tương lai.

In 3D công nghệ SLM “hàn chảy laser chọn lọc”

Trong buồng in chứa đầy khí trơ để ngăn phản ứng hóa học của kim loại với không khí và tạo ra các ô-xít kim loại. Việc làm nóng chảy kim loại cho phép tạo ra sản phẩm in có độ bền đồng nhất. Tuy nhiên, nhiệt độ cao làm cho cần nhiều thời gian làm nguội hơn so với công nghệ DMLS.

Các giai đoạn in của công nghệ SML cũng tương tự như những công nghệ in 3D khác. Lớp bột kim loại được phủ lên bề mặt giá in, laser làm nóng chảy lớp bột kim loại theo mô hình số 3D (file *.STL) và giá hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày của lớp in. Quá trình lặp lại cho đến khi in xong sản phẩm in. Kết thúc in sản phẩm in cần được làm mát trước khi có thể lấy ra.

Công nghệ hàn chảy laser chọn lọc sử dụng kết cấu phụ trợ để loại bỏ sự biến dạng khi in các thành phần có góc và kích thước nhỏ, cũng như để cố định chi tiết in lên giá. Các kết cấu này thường sẽ được loại bỏ khỏi sản phẩm in bằng tay sau khi làm nguội. Sau khi in có thể sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để xử lý nguội như tiện, phay, xử lý nhiệt hoặc làm sạch để đạt được các tính năng cần thiết.

Lịch sử hình thành

Bằng sáng chế đầu tiên của công nghệ SLM được phát hành vào năm 1995 bởi Viện ILT Fraunhofer ở Đức. Công nghệ được tạo ra bởi công ty F&S. Công ty này liên kết với tập đoàn MCP HEK GmbH và vào năm 2000 trở thành tập đoàn SLM Solution GmbH. Công nghệ SLM rất hữu ích đối với ai cần sản xuất các sản phẩm kim loại. Nó cũng cho phép sản xuất ra các chi tiết kim loại phức tạp hoặc cực kỳ phức tạp mà không thể sản xuất được bằng các công nghệ khác.

Vào những năm 80 công nghệ này càng phát triển nhanh chóng. Những người đã góp công sức rất lớn là Carl Decard, Michael Fagin và Frank Arsella. Đặc biệt vào năm 1987, chiếc máy in đầu tiên sử dụng công nghệ DMLS với mục đích thương mại, đã được tạo ra bởi một sinh viên trường Đại học Texas, Austin Decard và giáo sư hướng dẫn Beeman của mình.

Cũng trong năm đó họ thành lập công ty Nova Automation. Năm 1989 bắt đầu in sản phẩm 3D bằng kim loại đầu tiên. Lúc đầu, Nova Automation là 1 trong 3 công ty sản xuất máy in 3D lớn nhất. Nhưng đến năm 2001 công ty này cũng bị mua lại bởi tập đoàn 3D Systems và thời điểm đó thị trường in 3D chỉ còn là sân chơi của hai ông lớn 3D Systems và EOS (USA).

Đặc điểm quá trình công nghệ DMLS

Mô hình số 3D (phần mở rộng *.STL) sẽ được nạp vào máy tính (PC) kết nối với máy in 3D DMLS.

Trên giá in của máy in 3D sẽ được phủ một lớp bột kim loại mỏng có độ dày bằng độ dày của lớp (tối đa 20𝜇m). Lớp bột kim loại được làm phẳng đều và theo hình dạng thiết lập từ mô hình số 3D. Phần bột dư thừa sẽ được đẩy ra khỏi vùng làm việc của laser.

Lúc này laser sẽ làm việc và in lớp đầu tiên của vật thể. Công suất của laser từ 200W đến 1000W. Giá in hạ xuống một khoảng bằng độ dày lớp in, bột kim loại được phủ lên và quá trình lặp lại cho đến khi in xong vật thể.

Tốc độ và chất lượng in 3D phụ thuộc rất nhiều vào công suất của laser. Chúng tỷ lệ nghịch với nhau, tức là, công suất của laser càng lớn, chất lượng in càng thấp. Tìm ra được tỷ lệ thích hợp chính là know how của mỗi công ty.

Một số hình ảnh về sản phẩm in 3D SLM:

Ứng dụng in 3D SLM

Công nghệ SLM chưa trở thành tiêu chuẩn trong sản xuất, nhưng đã được các tập đoàn công nghiệp lớn về chế tạo máy, hàng không vũ trụ, chế tạo ô tô, v.v… sử dụng. Ví dụ:

Sản xuất xe AUDI

Công ty AUDI cho rằng công nghệ SLM thích hợp nhất để sản xuất các chi tiết máy. Các chi tiết càng phức tạp thì càng thích hớp sử dụng công nghệ SLM để chế tạo.

Sản xuất xe PORSCHE

Công ty sản xuất ô tô của Đức sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất các bộ phận dự phòng cho các bộ phận của những chiếc ô tô cổ điển. Để bảo dưỡng cho hệ thống xe Porche Classic của mình, họ sử dụng khoảng 52 000 các chi tiết khác nhau để chủ xe có thể thay thế. Các chi tiết này cũng khan hiếm như chính những chiếc ô tô này vậy.

Để giải quyết các vấn đề tương tự, Porche sử dụng 2 công nghệ “hàn chảy laser chọn lọc” SLM và “hàn đắp laser chọn lọc” SLS. Thật vậy, đối với các trường hợp không phải là sản xuất loạt, các phương pháp truyền thống tỏ ra không hiệu quả. Sau khi đánh giá cụ thể, các chuyên gia của Porche quyết định sử dụng công nghệ SLM để chế tạo các chi tiết kim loại và công nghệ SLS để chế tạo các chi tiết từ chất dẻo.

SpaceX và NASA

Các nhà lãnh đạo của SpaceX và NASA, mà đứng đầu là Elon Musk, đã ứng dụng công nghệ in 3D kim loại để chế tạo các chi tiết trên tàu con thoi và tên lửa vũ trụ. Lý do đơn giản là để giảm chi phí và tăng năng suất. Ví dụ, SpaceX in các chi tiết phi tiêu chuẩn bằng kim loại để sản xuất buồng đốt động cơ cho SpaceX SuperDraco.

Bằng phương pháp in 3D kim loại, NASA đã tạo ra máy bơm nhiên liệu cho động cơ tên lửa với số lượng chi tiết ít hơn 45% so với sản xuất bằng các phương pháp truyền thống.

Không những giảm bớt thời gian chế tạo, mà các chi tiết được tạo ra còn có độ bền hơn và nhẹ hơn, vì các chi tiết đơn lẻ trước đây nay đã được in thành 1 chi tiết.

Một số đặc điểm của SLM

Ưu điểm

Với công nghệ SLM có thể tạo ra các chi tiết có thành mỏng và phức tạp với hình dạng bất kỳ và kết cấu nhẹ. Công nghệ SLM tương đối dễ thích ứng và gia nhập thị trường tương đối nhanh, cũng như thích hợp để sản xuất các lô sản phẩm nhỏ.
Sự phổ biến của phương pháp này còn giúp chúng có thể nhiều ưu điểm khác so với bản thân chúng lúc đầu:
– Tạo ra các chi tiết hình học phức tạp, thậm chí có cả các hốc bên trong để làm lạnh;
– Quá trình sản xuất không cần các thiết bị quá đắt tiền;
– Chi tiết in hoàn chỉnh có khối lượng nhỏ hơn và độ bền lớn hơn, khi so sánh với các chi tiết lắp ráp;
– Tiết kiệm vật liệu tiêu hao;
– Sử dụng lại được các vật liệu sau khi sàng lọc, tránh lãng phí.

Hạn chế

– Quá trình chuẩn bị. Điều quan trọng là cần thiết kế sao cho xác suất xuất hiện lệch và rỗng chi tiết là thấp nhất. Xem xét kỹ thành phần bổ trợ và cách đặt vật in trên giá in.
– Nhân lực. Để làm việc với máy in 3D công nghệ SLM cần các nhân viên có kinh nghiệm và trình độ chuyên môn. Thời gian làm việc của họ là một yếu tố quan trọng trong quá trình đào tạo.
– Giá thành. Giống như chi phí cho đào tạo nhân lực, máy in 3D công nghệ SLM hao phí rất lớn vật liệu để in và khai thác sử dụng, cũng như để mua trang thiết bị và vị trí sử dụng chúng.

KẾT LUẬN

Các công nghệ in 3D bằng laser như SLM, SLS hay DMLS đặc biệt thích hợp để sản xuất các chi tiết kim loại không phải sản xuất lô, loạt. Trong đó có những chi tiết không thể sản xuất được bằng các phương pháp truyền thống. Các hợp kim sử dụng cho công nghệ SLM đảm bảo chịu được áp suất lớn, nhiệt độ cao. Do đó, cho phép các chi tiết này ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chế tạo máy và công nghiệp hóa học.