Công nghệ in 3D: Giải pháp cho thiết kế sáng tạo, sản xuất bền vững

Ra đời vào những năm 1980s, công nghệ in 3D (3D printing – 3DP) đã không ngừng phát triển và được ứng dụng trong hầu hết tất cả các lĩnh vực trong đời sống, từ các ngành công nghiệp chế tạo hàng không vũ trụ, ô tô, khuôn mẫu, cho đến các lĩnh vực kiến trúc, xây dựng, y tế, giáo dục và thời trang (Hình 1). Ngày này, công nghệ in 3D được xem là một trong những trụ cột chính của Công nghiệp 4.0.

• Công nghệ in 3D hướng tới sản xuất hàng loạt trong các nhà máy sản xuất thông minh
• Công nghệ in 3D kim loại: Bước đột phá trong công nghiệp chế tạo

Việc kết hợp công nghệ in 3D với các công nghệ sản xuất khác đang thúc đẩy sự phát triển của nền công nghiệp thế giới theo hướng sản xuất thông minh, ở đó hệ thống máy móc và internet có khả năng trao đổi thông tin và phản hồi với hệ thống quản lý sản xuất. Bên cạnh đó, công nghệ in 3D cũng giúp loại bỏ sự cần thiết của các trang bị công nghệ, giảm thiểu quá trình hậu xử lý, sự lãng phí nguyên liệu, và sự can thiệp của con người. Đây là những đặc điểm quan trọng tạo nên ngành công nghiệp của tương lai. Nhờ công nghệ in 3D, các nhà máy có cơ hội tăng tính linh hoạt, thích ứng với nhu cầu của thị trường ngày càng khắt khe và khó đoán. Nó cho phép tạo ra các đối tượng tùy chỉnh mà không cần đến khuôn và công cụ sản xuất đắt tiền. Công nghệ in 3D còn là một người bạn thân thiện với môi trường, cho phép giảm thiểu tác động ô nhiễm và có vai trò quan trọng đối với sản xuất bền vững, tiết kiệm tài nguyên và giảm thiểu chất thải.

Với nguyên lý chế tạo sản phẩm bằng phương pháp thêm vật liệu theo lớp, công nghệ in 3D tăng cường và mở rộng sự tự do trong thiết kế, khai thác kết quả của các thuật toán tối ưu hóa cấu trúc, loại bỏ tính bộ phận của cụm lắp ráp bằng cách thiết kế hợp nhất các cụm lắp ráp thành một chi tiết, giảm thời gian vòng đời giữa thiết kế, sản xuất và phân phối sản phẩm, tiết kiệm đáng kể chi phí nguyên liệu thô do sản phẩm được thiết kế tối ưu.

Thiết kế tối ưu hóa cấu trúc sản phẩm với công nghệ in 3D cho phép giảm thiểu đáng kể khối lượng của chi tiết mà không ảnh hưởng đến độ bền và hiệu năng làm việc của chúng. Tối ưu hóa cấu trúc cũng giúp sản xuất các chi tiết có hiệu suất và đặc tính cơ học được nâng cao (Hình 2). Các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa sự phân bố vật liệu ở những nơi cụ thể nhờ công cụ phần mềm phân tích ứng suất trên hình dạng và loại bỏ vùng vật liệu không cần thiết của sản phẩm trong quá trình thiết kế. Hình dạng hình học của chi tiết được tối ưu hóa dựa trên một số yêu cầu, như tải trọng, biến dạng, các ràng buộc về độ cứng và các điều kiện biên. Nói cách khác, tối ưu hóa cấu trúc giúp tạo ra cấu trúc tốt nhất có thể của một chi tiết nhất định. Những sản phẩm thiết kế tối ưu như vậy được chế tạo dễ dàng với công nghệ in 3D. Như vậy, sự kết hợp giữa tối ưu hóa cấu trúc và công nghệ in 3D giúp chúng ta tạo ra các chi tiết phức tạp, có hiệu năng cao và có trọng lượng nhẹ mà phương pháp chế tạo truyền thống khó có thể thực hiện được.

Bên cạnh đó, việc thiết kế hợp nhất các bộ phận có thể giảm các cụm lắp ráp từ hàng trăm chi tiết xuống chỉ còn một vài chi tiết (Hình 3). Hiện nay, một số ngành công nghiệp quan trọng đang trải qua giai đoạn thiết kế lại các cụm lắp ráp, ban đầu được thiết kế để sản xuất bằng công nghệ sản xuất truyền thống, thành các dạng hợp nhất hơn có thể chế tạo với công nghệ in 3D. Một trong những ví dụ điển hình nhất về việc thiết kế hợp nhất các chi tiết và chế tạo với công nghệ in 3D là động cơ Catalyst Advanced Turboprop của GE. Số lượng chi tiết của động cơ mới này đã được giảm từ 852 xuống chỉ còn 12 bộ phận. Các cụm vòng bi và ổ đã giảm từ 80 xuống còn một vòng bi và ổ. Qua thử nghiệm cho thấy động cơ mới được thiết kế lại tiêu thụ nhiên liệu ít hơn 1% và trọng lượng cũng được giảm trên 5%. Đây là sự cải thiện đáng kể cho động cơ máy bay. Airbus cũng đã thiết kế hợp nhất các bộ phận cho máy bay. Hãng này đã thiết kế hợp nhất từ một cụm lắp ráp thủy lực bao gồm10 chi tiết thành một chi tiết duy nhất, từ đó giảm được 35% trọng lượng của nó (Hình 3, bên dưới). Hệ thống đường ống phức tạp với nhiều lỗ khoan ngang đã được loại bỏ hoàn toàn, giúp cho việc bảo trì trở nên dễ dàng hơn. Chi tiết này đã được thử nghiệm thành công trên máy bay A380.

Như vậy, thiết kế hợp nhất và chế tạo với công nghệ in 3D đã đem lại nhiều lợi ích, đó là giảm số lượng các chi tiết trong một cụm lắp ráp, giảm độ phức tạp giúp tăng tốc sản xuất và giảm chi phí, nhất là khi các bộ phận khác nhau của cụm lắp ráp được sản xuất bởi các công ty khác nhau bằng các công nghệ sản xuất khác nhau. Các cụm hợp nhất cũng thể hiện độ bền tăng lên do có ít đường nối hơn và dung sai chặt chẽ hơn. Đồng thời các bề mặt lắp ráp được giảm, có nghĩa là giảm thiểu được rung động và ít đường rò rỉ hơn. Bên cạnh đó, trọng lượng của cụm chi tiết cũng được giảm đáng kể do không phải sử dụng các mối ghép bu lông và đai đốc,…

Theo báo cáo của Ủy ban Môi trường và Phát triển Thế giới, các quy trình sản xuất công nghiệp, sản xuất hàng loạt, thử nghiệm, bảo trì và xử lý chất thải tiêu thụ khoảng 22% tổng nguồn năng lượng và tạo ra khoảng 20% lượng khí thải CO₂ toàn cầu. Trong đó, các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, ô tô, và sản xuất điện năng là những ngành cần thiết để phát triển các công nghệ sản xuất bền vững, giảm thiểu lãng phí nguyên liệu, phát thải khí nhà kính, khai thác tài nguyên thiên nhiên và xáo trộn hệ sinh thái.

Gần đây, Gebler và cộng sự đã nghiên cứu và xác định tác động của in 3D đối với tổng nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp và lượng khí thải CO₂ bằng cách xem xét toàn bộ vòng đời của sản phẩm đối với một số lĩnh vực công nghiệp, bao gồm cả hàng không vũ trụ, ô tô, dụng cụ, sản phẩm tiêu dùng, nhiên liệu, và thiết bị y tế. Trong nghiên cứu này, ba giai đoạn quan trọng của vòng đời sản phẩm (bao gồm sản xuất, sử dụng và thải loại) đã được xem xét. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng công nghệ in 3D cho phép giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp và lượng khí thải CO₂ trong toàn bộ vòng đời của một sản phẩm. Nhờ ứng dụng công nghệ in 3D vào quá trình sản xuất, lượng khí thải CO₂ và nhu cầu sử dụng nhiên liệu trong các lĩnh vực sản xuất hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và dụng cụ được giảm tương ứng là 9-35%, 8-19%, 5-19% và 3 -10% vào năm 2025.

Như đã đề cập ở trên, công nghiệp sản xuất hàng không vũ trụ là lĩnh vực thể hiện rõ nhất các ưu điểm của công nghệ in 3D (Hình 4). Việc giảm tổng khối lượng máy bay do sử dụng các chi tiết có khối lượng nhẹ được thiết kế tối ưu và chế tạo bởi công nghệ in 3D đã dẫn đến giảm khối lượng nhiên liệu tiêu thụ và phát thải khí CO₂ ra môi trường của mỗi máy bay đang hoạt động. Nếu giảm 1 kg trọng lượng trên một phi đội 600 máy bay sẽ tiết kiệm được khoảng 90000 lít nhiên liệu và giảm 230 tấn CO₂. Hơn nữa, công nghệ in 3D cho phép các công ty sản xuất hàng không vũ trụ xây dựng được các nguyên mẫu nhanh với các chức năng được yêu cầu. Do vậy, giảm được thời gian đưa ra sản phẩm ra thị trường và tăng khả năng cạnh tranh của các công ty. Nhờ công nghệ in 3D, hãng Boeing đã giảm thời gian tạo mẫu máy bay từ vài tháng xuống chỉ còn dưới một tháng.

Tóm lại, công nghệ in 3D là một thành tựu công nghệ nổi bật của con người, đã làm cách mạng hóa kỹ thuật sản xuất và công nghiệp, cũng như ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh khác của đời sống xã hội, từ đồ trang sức, nội thất và đồ gia dụng đến các ứng dụng công nghiệp có giá trị thương mại cao như máy bay, ô tô,… Trong hầu hết các lĩnh vực, công nghệ này đang được sử dụng để phát triển các giải pháp mới và tiên tiến cho các thách thức kỹ thuật, xã hội, kinh tế, môi trường và hệ sinh thái toàn cầu. Sự trưởng thành của công nghệ in 3D và sự thúc đẩy của các tổ chức, doanh nghiệp sẽ cho phép hợp nhất công nghệ in 3D như một công nghệ hàng đầu trong các lĩnh vực khác nhau trong tương lai gần.

TS. Lê Văn Thảo
Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự