Đắp bột kim loại với hỗ trợ bởi tia Laze trong in 3D Powder Bed Fusion (PBF)

Tất cả các công nghệ thuộc dòng sản phẩm Powder Bed Fusion (PBF) đều sử dụng nền tảng xây dựng (đắp) có chứa vật liệu bột để sản xuất thêm một bộ phận, chi tiết - bột có thể là polyme hoặc kim loại. Đó là trong những năm 1990, một số công ty bắt đầu khám phá Powder Bed Fusion (PBF) cho kim loại: các hạt bột kim loại được nấu chảy bằng cách sử dụng nguồn nhiệt như tia laze hoặc tia điện tử để tạo thành một phần phức tạp hơn hoặc ít hơn, từng lớp một. Hôm nay, chúng ta sẽ tập trung vào Laser Powder Bed Fusion (LPBF), như tên gọi của nó, sử dụng tia laser để đắp thêm một bộ phận kim loại.

Năm 1994, EOS đã được cấp bằng sáng chế cho quy trình của mình có tên là Direct Metal Laser Sintering (DMLS), trong khi đó vào năm 1995, Viện Fraunhofer đã giới thiệu thuật ngữ SLM cho Selective Laser Melting. Hai kỹ thuật này tương tự nhau, tuy nhiên, để tránh bất kỳ sự nhầm lẫn nào, chúng tôi sẽ sử dụng thuật ngữ Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Các thuật ngữ có vẻ khó hiểu, DMLS sử dụng từ thiêu kết trong khi thực tế nó hoạt động bằng cách nấu chảy. Tương tự, PBF sử dụng từ nung chảy, khi bạn không thể nấu chảy nhựa, bạn chỉ có thể nung chảy nó. Tuy nhiên, thiêu kết bằng laser có chọn lọc (SLS) là một phần của họ PBF.

Hình ảnh: Fraunhofer ILT, Aachen, Đức

Điều bạn nên nhớ là sự khác biệt giữa thiêu kết và nung chảy khá đơn giản: nung chảy liên quan đến việc chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng nhờ nhiệt độ cao của nguồn nhiệt; quá trình thiêu kết không cho phép vật liệu đạt trạng thái lỏng vì nhiệt độ của nguồn nhiệt không đủ cao. Trong trường hợp kim loại thiêu kết, các hạt kim loại được kết tụ với nhau, nhưng kết quả là một phần khá yếu. Để minh họa điểm này, hãy lấy ví dụ về việc xếp chồng những quả táo: sẽ luôn có một khoảng cách giữa hai quả. Do đó, các bộ phận được in 3D sẽ có độ bền cơ học thấp, không giống như quá trình nóng chảy, vật liệu ở dạng lỏng, lấp đầy các lỗ này.

Laser Powder Bed Fusion hoạt động như thế nào?

Giống như bất kỳ kỹ thuật in 3D nào, việc thiết kế một bộ phận bắt đầu bằng việc tạo ra mô hình 3D bằng phần mềm CAD. Sau đó, phần này được cắt thành vô số lớp bằng máy cắt - trong trường hợp này, độ dày của một lớp thường thay đổi trong khoảng từ 20 đến 60 micron.

Để bắt đầu quá trình in, máy in 3D sẽ nạp khí trơ vào khoang chứa và sau đó làm nóng nó đến nhiệt độ in tối ưu. Sau đó, một lớp bột mỏng được phủ lên nền tảng xây dựng, theo độ dày lớp đã được phần mềm xác định trước đó. Sau đó, laser sợi quang (200/400 W) quét mặt cắt ngang của bộ phận, làm tan chảy các hạt kim loại với nhau. Khi lớp xong, bệ đỡ chi tiết chuyển xuống dưới, cho lớp bột khác vào. Quá trình được lặp lại cho đến khi thu được phần cuối cùng.

Máy in 3D sau đó phải được để nguội và lấy bột chưa tráng men ra khỏi khay để nhìn thấy phần được in. Phần được gắn vào tấm nền nhờ các giá đỡ in; Không giống như công nghệ SLS, những giá đỡ này được khuyến khích sử dụng vì chúng làm giảm hiện tượng cong vênh và biến dạng quan sát được ở nhiệt độ cao. Chúng thường được loại bỏ bằng các phương pháp cắt hoặc gia công hoặc bằng cắt dây. Các bộ phận có thể được xử lý nhiệt để giảm ứng suất dư và cải thiện các đặc tính cơ học. Quá trình xử lý sau có thể bao gồm các bước gia công CNC và quy trình đánh bóng để mang lại chất lượng bề mặt tốt hơn.

Các bước gia công hoàn thiện có thể quan trọng hơn hoặc ít hơn tùy thuộc vào kết quả bạn muốn đạt được

Vật liệu và ứng dụng của công nghệ Laser Powder Bed Fusion

Như bạn đã hiểu, LPBF sử dụng bột kim loại để thiết kế các bộ phận phức tạp hơn hoặc ít hơn. Các vật liệu kim loại và hợp kim như thép không gỉ, coban-crom, nhôm, titan và inconel thường được sử dụng nhiều nhất. Một số kim loại quý (vàng, bạch kim, bạc) đôi khi được sử dụng, nhưng hầu như chỉ trong lĩnh vực đồ trang sức. Độ bền của các bộ phận thu được có thể so sánh với độ bền thu được bằng kỹ thuật đúc hoặc gia công. LPBF là một trong số ít công nghệ sản xuất phụ gia được sử dụng trong sản xuất.

Các ngành hàng không vũ trụ, ô tô và y tế (đặc biệt là nha khoa) rất ưa chuộng công nghệ này. Nó cung cấp một độ phức tạp hình học mà không thể đạt được bằng cách sử dụng các phương pháp sản xuất thông thường trong khi giảm trọng lượng cuối cùng của chúng và số lượng các thành phần được lắp ráp bằng cách sử dụng các kỹ thuật như tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Điều này dẫn đến thời gian sản xuất ngắn hơn và các bộ phận tùy chỉnh rất bền. Tuy nhiên, máy in 3D kim loại và bột kim loại rất đắt tiền và không cho phép sản xuất các bộ phận quá lớn.

Một bộ phận kim loại được in 3D | Hình ảnh: Mercedes-Benz

Những nhà sản xuất chính trên thị trường

Một trong những nhà tiên phong về công nghệ là EOS của Đức với dòng máy EOS M, cung cấp giải pháp sản xuất hoàn chỉnh cho bất kỳ công ty công nghiệp nào. Công ty được sáp nhập thêm 3D Systems vào năm 2013 sau khi mua lại công ty Pháp Phenix Systems, chuyên phát triển các máy DMLS. Ngoài ra, công ty Đức SLM Solution, Trumpf, Renishaw và công ty Ý Sisma cũng là những nhà sản xuất lớn trên thị trường.