Những cái nhìn mới vào quá trình in 3D kim loại

In 3D đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu thú vị cho các kỹ sư và các nhà thiết kế sản phẩm để tái mường tượng ra những gì có thể làm được với công nghệ này. Năng lực để in các phần kim loại phức tạp bằng việc sử dụng các hợp kim tiên tiến có ở khắp nơi trên thế giới không còn nghi ngờ gì nữa đã đem lại nhiều ấn tượng song trong công nghệ này vẫn còn nhiều điểm chưa thực sự hoàn hảo.

Hiện tại các nhà khoa học tại trường đại học Heriot-Watt, trong hợp tác với đồng nghiệp tại trường đại học Carnegie-Mellon và Phòng thí nghiệm quốc gia Mĩ Argonne, đã rọi ánh sáng mới vào quá trình này, vốn hứa hẹn gia tăng khả năng in 3D kim loại ngày một khả thi với các nhà sản xuất với lựa chọn ngày một bền vững hơn.

Quá trình sản xuất đắp bồi, kỹ thuật in 3D, bao gồm nhiều kỹ thuật xử lý vật liệu, trong đó được áp dụng rộng rãi nhất là nấu chảy bằng laser có chọn lọc (LPBF). Nó hoạt động bằng việc dàn các lớp mỏng các hạt bột kim loại vốn được liên kết với nhau thông qua việc tăng cường nhiệt được phân phối bằng các tia laser năng lượng cao. Nhưng quá trình này có thể đến đến sự hình thành của các lỗ rỗng khiến cấu trúc toàn thể bị yếu đi.

Đây là nhược điểm lớn cho ngành công nghiệp, cụ thể khi các hợp phần có độ tin cậy cao được đòi hỏi trên một cơ sở nhất quán. Trong ba năm qua, các nhà khoa học Viện nghiên cứu Quang và Lượng tử tại trường đại học Heriot-Watt, Edinburgh, đã dẫn dắt một dự án nghiên cứu kiểm tra thứ vật lý cơ bản đằng sau quá trình LPBF và cách hiểu biết này có thể hữu dụng để loại bỏ  khuyết tật trong các thành phần in.

Tiến sĩ Ioannis Bitharas, một nhà nghiên cứu liên kết với Viện Quang và Lượng tử tại Heriot-Watt, giải thích: “Nghiên cứu của chúng tôi hình dung sự tác động lẫn nhau giữa các trạng thái của vật chất hiện diện khi một tia laser tương tác với các hạt kim loại”.

“Trong quá trình chế tạo đắp bồi, việc đưa vào một xung laser hiệu suất cao vào kim loại sẽ dẫn đến một lỗ nhỏ kim loại lỏng khi các hạt hợp nhất với nhau. Trong suốt quá trình này, một phút lượng kim loại hóa hơi và nén lại thành chất lỏng, tạo ra một hốc tại trung tâm của lỗ nóng chảy. Lỗ này có thể trở nên không bền vững và dễ bị suy sụp, dẫn đến các lỗ rỗng trong vật liệu. Cùng thời điểm, hơi bắn lên tạo thành một chùm tương tác với các hạt và có thể có khả năng làm xáo trộn lớp trải.

“Rất nhiều sự kiện như vậy tạo ra những phần không hoàn hảo nhỏ xíu tán xạ khắp thành phần này và do đó tạo ra mức độ xốp của vật liệu mà nhiều nhà sản xuất không thể chất nhận được.

“Các hình ảnh mà chúng tôi bắt được cho thấy, lần đầu tiên, một bức tranh hoàn thiện về những tương tác và chúng tôi giờ có thể nói một cách xác định về những gì đang xảy ra”.

Bằng việc sử dụng song song tia X và hình ảnh schlieren – những bức ảnh dòng chảy của các chất lỏng có mật độ khác nhau, nhóm nghiên cứu đã phân tích sự ảnh hưởng lẫn nhau của các pha khí, hơi, chất lỏng và rắn hiện diện trong suốt quá trình in. Họ tìm thấy một mối liên hệ trực tiếp giữa hành xử của chùm hơi thoát ra do quá trình bay hơi của kim loại và sự ổn định tổng thể của vật liệu nóng chảy. Chùm hơi  càng gia tăng động lực, vật liệu càng không ổn định và xốp hơn. Nhưng bằng việc tinh chỉnh các thông số laser, chẳng hạn như điều chỉnh công suất, kích thước điểm tập trung và tốc độ quét, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra họ có thể kiểm soát độ ổn định của chùm và làm tan chảy bể, khiến cho cấu trúc in trở nên nhất quán hơn nhiều.

Việc sử dụng chùm như một “tín hiệu xử lý” có thể trực quan hóa và được giám sát đã đem đến tiềm năng mới cho nhiều ngành công nghiệp phụ thuộc vào các thành phần hiệu suất cao như hàng không vũ trụ, tự động hóa, chăm sóc sức khỏe và quân sự.

Giáo sư Andrew Moore dẫn dắt nhóm Chẩn đoán quang tại Viện Quang học và lượng tử trường đại học Heriot-Watt đã tham gia vào nghiên cứu này ngay từ đầu. Ông cho biết: “Bất chấp việc chứng tỏ hứa hẹn rất lớn thì những khuyết tật trong các phần in vẫn ngăn cho việc chế tạo kim loại đắp bồi đạt được kết quả như kỳ vọng. Nghiên cứu đã tập trung vào sự khuyết tật và dự đoán khuyết tật trên cơ sở hoạt động của kim loại lỏng hay các hạt, thông thường bị bỏ qua hiệu ứng của tia và chùm hơi được tạo ra bên trên bể kim loại.

“Những gì chúng tôi tìm thấy có triển vọng mới thú vị cho in 3D: chúng tôi có thể giảm đáng kể những điểm không hoàn hảo này và sản xuất các thành phần ít có khả năng bị lỗi hơn nhiều. Do đó, chúng tôi tin là công trình này sẽ cho phép tạo ra các công cụ phân tích và giám sát quy trình được cải tiến để xác định và ngăn ngừa các khuyết tật trong quá trình sản xuất đắp bồi của kim loại. Ngoài ra, nó sẽ củng cố một lớp mô hình đa vật lý có khả năng dự đoán nhiều hơn, bao gồm các hiệu ứng khí quyển và chuyển động của bột, qua đó cho phép tính toán trước các bản đồ quy trình chế tạo trước một cách chính xác”.

Công trình này được sự hỗ trợ của Renishaw, nhà sản xuất của Anh các hệ LPBF, trong khuôn khổ liên minh chiến lược với trường đại học Heriot-Watt. Nhóm nghiên cứu còn tiếp tục hợp tác với Renishaw để dùng kiến thức mới cải thiện các thiết bị in 3D cho tương lai.

Bài báo của nhóm nghiên cứu ở Heriot-Watt là “The interplay between vapor, liquid, and solid phases in laser powder bed fusion”, được xuất bản trên tạp chí Nature Communications.

Vũ Tô Vân tổng hợp

Nguồn: https://www.hw.ac.uk/news/articles/2022/scientists-present-new-insights-into-the-3d.htm

https://techxplore.com/news/2022-05-insights-3d-metals.html