1. Giới thiệu về công nghệ in 3D kim loại và công nghệ DED

Công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại (AM) đã cách mạng hóa ngành sản xuất truyền thống bằng cách cho phép sản xuất các cấu trúc phức tạp, hiệu suất cao mà trước đây không thể thực hiện được. Nó cũng mở ra những hướng đi mới để phát triển các vật liệu hợp kim tiên tiến, đặc biệt là siêu hợp kim. Việc phát triển các vật liệu kim loại tiên tiến bằng công nghệ in 3D đã nhận được sự công nhận đáng kể trong giới học thuật, với nhiều kết quả nghiên cứu quan trọng được công bố trên các tạp chí hàng đầu như... Khoa học và Thiên nhiên.

2. Phát triển hợp kim siêu bền truyền thống: Những thách thức kỹ thuật

Hợp kim siêu bền phải sở hữu sự kết hợp giữa độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn vượt trội, điều này đòi hỏi sự kiểm soát chính xác thành phần hợp kim. Các phương pháp sản xuất truyền thống phải đối mặt với một số thách thức:

• Độ phức tạp của điều khiển quy trìnhQuá trình sản xuất hợp kim siêu bền liên quan đến các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ và áp suất cao, đòi hỏi sự kiểm soát chính xác các thông số như nhiệt độ, thời gian và áp suất.
• Giới hạn độ chính xác trong sản xuấtMặc dù các công nghệ học máy hiện đại có thể thiết kế các siêu hợp kim với tỷ lệ nguyên tố và cấu trúc vi mô phức tạp, nhưng các kỹ thuật sản xuất truyền thống vẫn gặp khó khăn trong việc đạt được độ chính xác cần thiết về thành phần và kiểm soát cấu trúc vi mô.
• Chi phí phát triển và hiệu quảQuá trình thử nghiệm và điều chỉnh, tiêu hao vật liệu và chu kỳ phát triển dài khiến các công nghệ sản xuất truyền thống kém hiệu quả và tốn kém.

3. Bước đột phá mang tính cách mạng với công nghệ DED

Giáo sư Chinnapat Panwisawas, cựu nhà nghiên cứu cấp cao tại Đại học Oxford, nhấn mạnh rằng công nghệ in 3D kim loại, đặc biệt là công nghệ lắng đọng năng lượng định hướng (DED), đã trở thành một kỹ thuật đột phá trong việc phát triển các siêu hợp kim.

Những ưu điểm chính của công nghệ DED bao gồm:

• Tính linh hoạt của nhiều vật liệuCông nghệ DED có thể đồng thời cung cấp vật liệu dạng bột và dạng dây, cho phép thay đổi vật liệu linh hoạt trong quá trình in.
• Vật liệu được phân loại theo chức năngPhương pháp DED đặc biệt phù hợp để tạo ra các vật liệu có cấu trúc phân cấp chức năng, trong đó thành phần thay đổi liên tục xuyên suốt chi tiết.
• Kiểm soát quy trình thời gian thựcCác thông số như tốc độ cấp liệu, năng lượng đầu vào và đường dẫn lắng đọng có thể được điều chỉnh trong thời gian thực, cho phép tinh chỉnh các đặc tính vật liệu.

Nghiên cứu điển hình thành công:
Vào năm 2023, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Ma dẫn đầu tại Đại học Bách khoa Melbourne đã phát triển hợp kim titan cường độ cao bằng công nghệ DED, và kết quả đã được công bố trên tạp chí này. Thiên nhiênNhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ DED bằng laser kết hợp với bột titan nguyên chất thương mại, bột sắt phun sương bằng nước và bột TiO2. Nghiên cứu đã thành công trong việc liên kết quy trình sản xuất với cấu trúc vi mô và hiệu năng của hợp kim mới.

Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA cũng xác nhận rằng việc kết hợp khoa học tính toán với công nghệ in 3D có thể rút ngắn chu kỳ phát triển vật liệu từ nhiều năm xuống còn vài tuần hoặc vài tháng.

4. Đầu lắng đọng: Cốt lõi của công nghệ DED

Đầu lắng đọng trong công nghệ DED đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển vật liệu mới. Nó tạo ra một bể nóng chảy bằng cách sử dụng nguồn nhiệt laser, plasma hoặc chùm electron và lắng đọng vật liệu ở dạng bột hoặc dây. Vật liệu được lắng đọng từng lớp để tạo ra các cấu trúc phức tạp. Đầu lắng đọng kiểm soát chính xác quá trình nóng chảy và lắng đọng, cho phép kiểm soát tốt cấu trúc vi mô và hiệu suất của vật liệu.

5. Những đổi mới trong nước về công nghệ DED

Năm 2024, Greenstone-Tech, hợp tác với Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh, đã phát triển công nghệ lắng đọng năng lượng định hướng bằng laser đồng trục tích hợp đa chùm tia mang tính cách mạng, kết hợp 13 năm kinh nghiệm trong sản xuất bồi đắp bằng hồ quang. Hướng đi mới này trong công nghệ DED—công nghệ Hệ thống phần cứng lai đồng trục đa tia laser-hồ quang—Đây là một bước đột phá toàn cầu.

Điểm nổi bật về đổi mới:

• Công nghệ đa thành phầnKết hợp 6 mô-đun laser độc lập với nguồn nhiệt hồ quang để cải thiện khả năng điều khiển.
• Cung cấp bột và dây đồng thờiCho phép cấp bột và dây đồng bộ để tăng cường quá trình lắng đọng vật liệu.
• Hệ thống bảo vệ khí képĐảm bảo bảo vệ vật liệu hiệu quả trong quá trình lắng đọng.

Những đổi mới trong chuẩn bị vật liệu:

• Kiểm soát thành phần chính xácViệc điều khiển độc lập hệ thống cấp dây và bột đảm bảo thành phần vật liệu chính xác.
• Chế tạo năng suất caoCho phép sản xuất nhanh chóng số lượng lớn các vật liệu có thành phần hoặc độ chuyển màu khác nhau.
• Hợp kim hóa tại chỗCho phép hình thành hợp kim trực tiếp trong quá trình in, loại bỏ nhu cầu xử lý nhiệt sau đó.
• Sản xuất vật liệu gradientCho phép tạo ra các vật liệu có thành phần chuyển màu liên tục.
• Vật liệu tăng cường nanoĐảm bảo sự phân tán đồng đều của các hạt nano, nâng cao hiệu suất vật liệu.

Ưu điểm của quy trình:

• Đơn giản hóa quy trình sản xuất và tăng hiệu quả sản xuất.
• Giảm chi phí sản xuất và đẩy nhanh quá trình thương mại hóa.
• Cải thiện khả năng tương thích vật liệu và độ chính xác trong sản xuất.

6. Triển vọng công nghệ

Khi công nghệ in 3D lai đồng trục đa chế độ, sử dụng nhiều laser/hồ quang, tiếp tục phát triển, dự kiến ​​sẽ tạo ra các hợp kim và vật liệu composite mới với sự kết hợp hiệu năng chưa từng có, bao gồm độ bền cao hơn, khả năng chống mài mòn và ăn mòn vượt trội, cùng độ ổn định nhiệt tuyệt vời. Greenstone-Tech cam kết thúc đẩy sự phát triển thông minh và tự động hóa của công nghệ này, cung cấp các giải pháp linh hoạt và hiệu quả hơn cho ngành công nghiệp chuẩn bị và sản xuất vật liệu, đồng thời nhanh chóng đáp ứng nhu cầu thị trường.