Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã đạt được một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực sản xuất cộng gộp với hệ thống in 3D thế hệ mới. Công nghệ đổi mới này giải quyết những thách thức lâu nay trong in 3D công nghiệp quy mô lớn đồng thời giới thiệu khả năng chưa từng có trong chế tạo đa vật liệu.
Thiết kế vòi phun đa kênh cách mạng
Nền tảng của sự đổi mới của Oak Ridge nằm ở phương pháp vòi phun đa kênh, công nghệ này tái định nghĩa cơ bản cách thức hoạt động của in 3D quy mô lớn. Thay vì dựa vào các máy đùn đơn lẻ cỡ lớn đòi hỏi hệ thống hỗ trợ đắt tiền và hạng nặng, công nghệ mới kết hợp nhiều máy đùn nhỏ hơn hoạt động đồng bộ để cung cấp polymer nóng chảy thông qua một dòng thống nhất. Thiết kế đột phá này loại bỏ các hạn chế về trọng lượng và độ phức tạp cơ học từ lâu đã làm khó khăn các hệ thống sản xuất cộng gộp quy mô công nghiệp.
Các Cải Tiến Hiệu Suất Chính:
- Giảm độ xốp bên trong: Lên đến 75%
- Độ tin cậy kiểm soát dòng chảy: Được cải thiện ở tốc độ dưới 10% công suất tối đa
- Giảm trọng lượng: Đạt được thông qua việc sử dụng nhiều máy đùn nhỏ thay vì một máy đùn lớn
Kiểm soát dòng chảy nâng cao và tính linh hoạt vận hành
Các máy in 3D quy mô lớn truyền thống gặp khó khăn trong kiểm soát dòng chảy ở tốc độ thấp, thường hoạt động không ổn định dưới 10% công suất tối đa. Hệ thống của Oak Ridge giải quyết hạn chế quan trọng này bằng cách cho phép người vận hành kích hoạt hoặc tắt từng máy đùn riêng lẻ trong mảng đa kênh. Khi in các chi tiết phức tạp hoặc linh kiện nhỏ, người vận hành có thể giảm tốc độ đùn bằng cách tắt các vòi phun cụ thể, trong khi các ứng dụng thông lượng cao có thể sử dụng toàn bộ mảng để đạt sản lượng tối đa.
Khả năng in đa vật liệu
Hệ thống đa kênh cho phép in đồng thời với các vật liệu khác nhau, mở ra những khả năng mới cho thiết kế linh kiện phức tạp. Các kỹ sư giờ đây có thể tạo ra các hình học dây in tinh vi bao gồm hình dải và cấu trúc lõi-vỏ trực tiếp từ vòi phun. Khả năng này cho phép các nhà sản xuất tối ưu hóa các phần khác nhau của một chi tiết đơn lẻ cho các tính chất khác nhau như độ bền, mật độ, hoặc độ linh hoạt, tất cả trong một thao tác in duy nhất.
Tính năng hệ thống:
- Giám sát laser thời gian thực để đảm bảo độ chính xác của đường in
- Nền tảng phần mềm hỗ trợ hàng trăm loại polymer
- Cấu hình máy đùn có thể mở rộng (không giới hạn trần trên cụ thể)
- Khả năng in đồng thời nhiều vật liệu
- Các tùy chọn thiết kế đường in dạng ribbon và core-and-sheath
Quy mô và chỉ số hiệu suất ấn tượng
Hệ thống của Oak Ridge thể hiện khả năng quy mô đáng kể, sản xuất các vật thể lên đến 13 feet dài, 6.5 feet rộng và 8 feet cao. Ngoài kích thước, công nghệ này mang lại những cải thiện chất lượng đáng kể, giảm độ xốp bên trong các sản phẩm in quy mô lớn lên đến 75% so với các phương pháp thông thường. Việc giảm độ xốp này chuyển đổi trực tiếp thành các sản phẩm hoàn thiện mạnh hơn, bền hơn đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp khắt khe.
Thể tích xây dựng tối đa:
- Chiều dài: 13 feet (4,0 mét)
- Chiều rộng: 6,5 feet (2,0 mét)
- Chiều cao: 8 feet (2,4 mét)
Giám sát thời gian thực và tích hợp phần mềm
Hệ thống tích hợp công nghệ giám sát laser tiên tiến theo dõi độ chính xác dây đùn trong thời gian thực, đảm bảo các chi tiết hoàn thiện luôn phù hợp với thông số kỹ thuật thiết kế. Các nhà nghiên cứu Oak Ridge đã phát triển một nền tảng phần mềm toàn diện quản lý cài đặt vật liệu và thông số cho hàng trăm loại polymer khác nhau, cho phép chuyển đổi vật liệu nhanh chóng mà không cần thủ tục hiệu chuẩn lại thường xuyên.
Ứng dụng công nghiệp và tác động tương lai
Công nghệ này đã thu hút sự quan tâm đáng kể từ nhiều lĩnh vực, với các ngành hàng không vũ trụ, sản xuất hàng hải và tuabin gió đang khám phá các ứng dụng cho các linh kiện bền bỉ hơn. Các dự án trước đây của Oak Ridge sử dụng các biến thể của phương pháp này đã thành công sản xuất cánh máy bay thử nghiệm, khuôn tuabin gió, thân xe ô tô hoàn chỉnh và vỏ thử nghiệm lò phản ứng hạt nhân, chứng minh tính linh hoạt của hệ thống qua các thách thức sản xuất đa dạng.
Các ngành công nghiệp mục tiêu:
- Sản xuất hàng không vũ trụ
- Công nghiệp hàng hải
- Sản xuất tuabin gió
- Sản xuất vật liệu composite tiên tiến
- Sản xuất ô tô
- Linh kiện lò phản ứng hạt nhân
Khả năng mở rộng và tiềm năng thương mại
Các nhà nghiên cứu Oak Ridge nhấn mạnh rằng phương pháp đa kênh cung cấp khả năng mở rộng không giới hạn, với các máy đùn bổ sung dễ dàng tích hợp để đạt được tốc độ thông lượng cao hơn mà không ảnh hưởng đến chất lượng hoặc kiểm soát. Khi công nghệ trưởng thành và chi phí giảm, các lợi ích được kỳ vọng sẽ mở rộng ra ngoài các ứng dụng công nghiệp đến thị trường in 3D tiêu dùng, có khả năng vượt qua các hệ thống vòi phun kép hiện tại về khả năng và hiệu suất.