VAAM: công nghệ lõi của công nghệ 4.0
Công nghệ in 3D kim loại hay còn được biết đến với tên gọi công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại (Metal Additive Manufacturing, MAM) ra đời và phát triển mạnh trong những năm gần đây và trở thành một trong những công nghệ lõi của Công nghiệp 4.0. Trong số các công nghệ MAM, công nghệ WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) sử dụng nguồn năng lượng hàn hồ quang nung chảy vật liệu kim loại dạng sợi và bồi đắp vật liệu theo lớp có khí bảo vệ để tạo thành sản phẩm (Hình 1). Một hệ thống WAAM bao gồm hệ thống tạo hình (rô bốt hoặc hệ thống máy CNC), nguồn năng lượng hàn (có thể là nguồn hàn MIG/GMAW, nguồn hàn CMT, nguồn hàn TIG/GTAW hay nguồn hàn plasma/PAW).
Hình 2 so sánh giữa công nghệ WAAM và các công nghệ in 3D kim loại khác hiện có mặt trên thị trường. So với các công nghệ in 3D kim loại khác sử dụng bột kim loại và nguồn laser, WAAM có tốc độ chế tạo cao hơn nhiều lần so với các công nghệ in 3D kim loại khác sử dụng vật liệu đầu vào dạng bột kim loại, giá thành đầu tư hệ thống WAAM thấp hơn nhiều. Vì vậy, WAAM là một giải pháp tiềm năng để chế tạo các chi tiết có kích thước lớn với nhiều cấu trúc thành vách từ nhiều loại hợp kim khác nhau như thép, hợp kim nhôm, hợp kim ti-tan, hợp kim nền niken,… Các loại vật liệu này thường có sẵn trên thị trường trong ngành hàn với giá thành tương đối phù hợp. So với công nghệ gia công truyền thống (đúc, rèn và gia công cắt gọt), các hệ thống WAAM có thể giảm 40% – 60% thời gian sản xuất và 15% – 20% thời gian gia công tinh (tùy thuộc vào kích thước chi tiết). Do vậy, WAAM cho phép tiết tiệm tới 75% chi phí sản xuất (Hình 3).
Hiện nay, công nghệ WAAM đang được nghiên cứu mạnh trên thế giới, đặc biệt trong khoảng 15 năm trở lại đây. Trong đó Đại học Crafield, Vương quốc Anh là đơn vị dẫn đầu nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Tính đến thời điểm hiện tại, mới có duy nhất Đại học Cranfield và công ty WAAM3D (https://www.waam3d.com/) đã nghiên cứu và hoàn thiện hệ thống công nghệ WAAM, bao gồm hệ thống phần cứng và phần mềm đi kèm và bắt đầu thương mại hóa hệ thống WAAM trên thị trường trong năm 2022. Bên cạnh đó Mỹ, Pháp, Trung Quốc, Hàn Quốc, Úc,… cũng là những nước đầu tư, nghiên ứu và phát triển mạnh về công nghệ này.
Hình 4 giới thiệu các ứng dụng điển hình của công nghệ WAAM trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Trong đó, lĩnh vực công nghiệp hang không vũ trụ chiếm một tỉ trọng lớn trong số các ứng dụng của WAAM. Các chi tiết kích thước lớn được chế tạo từ hợp kim nhôm và titan bởi công nghệ WAAM đã được chế tạo và sử dụng trong máy bay, thân tàu vũ trụ và tên lửa,… Ví dụ NASA đã chế tạo toàn bộ thân vỏ tên lửa/tàu vũ trụ bởi công nghệ WAAM (https://www.youtube.com/watch?v=kz165f1g8-E) (Hình 4a). Trong công nghiệp đóng tàu, công nghệ WAAM được sử dụng để chế tạo các chi tiết như chân vịt (Hình 4b). Trong lĩnh vực dụng cụ và khuôn mẫu, WAAM được sử dụng để chế tạo, sửa chữa và phục hồi các loại khuôn, chày, đặc biệt là phục hồi những khuôn rèn, dập có kích thước lớn làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (Hình 4c). Trong lĩnh vực xây dựng và kiến trúc, công nghệ WAAM cũng đã được áp dụng thành công để chế tạo các kết cấu lắp ghép, kết cấu cột, trụ đặc biệt, thậm chí là toàn bộ một cây cầu đi bộ (Hình 4d). Cây cầu đi bộ bằng thép dài 12m đầu tiên được in bởi công nghệ WAAM của công ty MX3D và được khánh thành tháng 7/2021 tại Amsterdam, Hà Lan. Cây cầu được chế tạo bằng cách sử dụng các thanh thép không gỉ được in bằng các cánh tay robot tại xưởng MX3D. Cầu thép nặng 6 tấn và cần 6 tháng để in 3D bằng robot trước khi đưa vào Odezijds Achterburgwal, một trong những con kênh lâu đời nhất của thành phố Amsterdam.
In 3D tại Việt Nam
Tại Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến công nghệ in 3D kim loại còn rất hạn chế. Hầu hết các máy in 3D có sẵn tại Việt Nam được đầu tư và sử dụng để in các vật liệu nhựa hoặc phi kim loại. Thực tế, chi phí cần đầu tư cho một hệ thống in 3D kim loại dạng bột rất tốn kém (lên đến hơn một triệu đô la), nên gần như các viện nghiên cứu và trường đại học chưa được đầu tư hệ thống công nghệ này để phục vụ nghiên cứu, đào tạo, và ứng dụng. Thêm vào đó, các lĩnh vực công nghiệp như hàng không vũ trụ và ô tô, nơi mà lợi ích và hiệu suất của công nghệ in 3D kim loại đã được chứng minh, vẫn chưa được phát triển tại Việt Nam. Tuy nhiên, nghiên cứu về các công nghệ sản xuất tiên tiến, đặc biệt là in 3D kim loại, là rất quan trọng và cần thiết. Theo Quyết định số 2117/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, ký ngày 16 tháng 12 năm 2020, công nghệ in 3D được xác định là một trong những công nghệ tiên tiến thuộc danh mục công nghệ ưu tiên nghiên cứu, phát triển và ứng dụng để chủ động tham gia cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0.
Trong một vài năm trở lại đây, công nghệ in 3D kim loại nói chung và công nghệ WAAM đã bắt đầu được nghiên cứu và định hướng tới ứng dụng trong nước. Từ năm 2019, nhóm nghiên cứu của TS. Lê Văn Thảo tại Học viện Kỹ thuật Quân sự lần đầu tiên triển khai đề tài nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu về công nghệ WAAM, do Quỹ NAFOSTED tài trợ. Trước đó, đã có một số nghiên cứu về công nghệ WAAM tại Việt Nam, tuy nhiên các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở bước thử nghiệm khả năng in, hay chỉ đơn giản là đưa nguồn hàn lên máy công cụ CNC và hàn đắp các mẫu đơn giản. Sau ba năm triển khai, nhóm nghiên cứu của TS. Lê Văn Thảo tại Học viện Kỹ thuật Quân sự đã công bố được nhiều công trình có giá trị trên các tạp chí ISI/Scopus và đóng góp quan trọng và công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã công bố được 08 bài báo SCI/SCIE (Q1 và Q2), 03 bài báo trong nước, 04 bài báo hội nghị quốc tế (scopus), và 01 chương sách chuyên quốc tế (scopus). Các công bố này của đề tài, từ năm 2020 đến 2022, đã có tổng cộng 123 lượt trích dẫn (theo số liệu thống kê của Google Scholar: https://scholar.google.fr/citations?user=Qm5cEk0AAAAJ&hl=fr). Bên cạnh đó, các nội dung nghiên cứu của đề tài đã được đưa vào hướng dẫn nghiên cứu cho 03 học viên Thạc sĩ (đã bảo vệ thành công) và mở ra các hướng nghiên cứu mới trong đào tạo sau đại học.
Hiện nay, TS. Thảo đang kết hợp cùng với Công ty CP Công nghệ và Thiết bị hàn (WELDTEC JSC, https://www.weldtec.com.vn/), và TS. Nguyễn Văn Anh – Đại học Cranfield, Vương Quốc Anh cùng triển khai, nghiên cứu, thử nghiệm và phát triển công nghệ WAAM tại Việt Nam (Hình 5), với mục tiêu phát triển công nghệ WAAM “made in Vietnam” có chi phí phù hợp cho các doanh nghiệp, đơn vị nghiên cứu và đào tạo trong nước. Tháng 9/2022, Công ty Weldtec, Học viện Kỹ thuật Quân sự, và Đại học Cranfield đã tổ chức thành công hội thảo chuyên đề về ứng dụng công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại trên thế giới và Việt Nam, tại triển lãm quốc tế METALEX 2022 được tổ chức tại Tp. Hồ Chí Minh.
So với các công nghệ in 3D kim loại khác (sử dụng vật liệu bột kim loại) thì công nghệ WAAM là phù hợp nhất với điều kiện hiện tại trong nước, không chỉ về chi phí đầu tư mà còn về miền ứng dụng, cũng như nền tảng kiến thức công nghệ hàn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam. Công nghệ WAAM có thể đáp ứng được ngay các nhu cầu trong công nghiệp cơ khí trong nước. Cụ thể, nhiều chi tiết quan trọng trong hệ thống cơ khí, máy móc có thể sửa chữa, phục hồi, hoặc chế tạo mới để thay thế bằng công nghệ WAAM. Ví dụ, các hệ thống truyền động bánh răng, các trục truyền động quan trọng, cánh tua bin, chân vịt của các loại tầu thủy bị hư hỏng và bị mài mòn,… đều có thể sửa chữa và phục hồi bằng công nghệ WAAM một cách hiệu quả, thay thế cho các phương pháp sửa chữa truyền thống (như hàn đắp và mài thủ công). Bên cạnh đó, nhiều chi tiết quan trọng được chế tạo bằng phương pháp gia công cắt gọt thông thường tiêu hao nhiều vật liệu, năng lượng, và công sức lao động có thể được chế tạo bằng phương pháp WAAM kết hợp với gia công lần cuối, cho phép tiết kiệm vật liệu và giảm thiểu chi phí tối đa.
Vì vậy, có thể khẳng định nghiên cứu và phát triển công nghệ WAAM là một lựa chọn phù hợp với điều kiện trong nước nhằm chế tạo các vật tư, phụ tùng thay thế, cũng như sửa chữa, phục hồi các chi tiết quan trọng trong các hệ thống thiết bị, máy móc, và hệ thống cơ khí. Đồng thời, đây cũng là cách tiếp cận sáng tạo và linh hoạt, dựa trên trang thiết bị có sẵn trong nước, đặt nền móng vững chắc cho các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ in 3D kim loại tại Việt Nam, đẩy các nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ in 3D kim loại khác, đặc biệt là trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0.
Lê Văn Thảo
(Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự)
