Công nghệ đột phá: In 3D với thép không gỉ

0
122

In 3D đang tạo nên cơn bão công nghệ trên thế giới. Nhưng công nghệ này hiện mới phát huy hiệu quả trên các vật liệu nhựa, thép xốp (porous steel) và chưa đáp ứng những yêu cầu của những ứng dụng chịu lực cứng hơn.

in-3D-thep-khong-gi-3
Vật liệu siêu sinh có ứng dụng cao trong Y Sinh học của các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft (TU Delft), Hà Lan

Một nhóm nghiên cứu đã phát triển công nghệ in 3D cho ra các sản phẩm thép không gỉ, vừa cứng lại dẻo. Tiến bộ về vật liệu này có thể mang lại phương thức chế tạo động cơ tên lửa tới các cấu kiện trong lò phản ứng hạt nhân hay dàn khoan dầu khí… nhanh và rẻ hơn.

Công nghệ thép không gỉ được phát minh lần đầu vào khoảng 150 năm trước vẫn còn phổ biến cho tới nay. Được làm từ thép nung chảy có thành phần kết hợp giữa sắt với carbon (đôi khi có thêm Nickel) crom và chì giúp thép không gỉ có khả năng chống sự rỉ sét và ăn mòn.

in-3D-thep-khong-gi
Một thiết bị kỹ thuật mới để in 3D một bộ phận động cơ tên lửa bằng thép không gỉ

Một quy trình đồng bộ gồm các bước: làm lạnh, gia nhiệt, cán, giúp cho thép đạt được cấu trúc vi mô với những hạt kim loại hỗn hợp bị nén chặt, và lớp phân cách mỏng giữa các hạt giúp hình thành một cấu trúc khá giống với tế bào.

Khi lá thép bị uốn cong hay cán phẳng, các nguyên tử bị trượt, cắt vào nhau, gây ra hiện tượng nứt gãy. Tuy nhiên, việc tạo ra những lớp phân cách dày có thể giúp thép trở nên cứng hơn rất nhiều nhưng vẫn đủ dẻo để uốn thành các hình dạng như mong muốn.

Từ lâu, các nhà nghiên cứu đã cố gắng đi tìm cách tái tạo một cấu trúc này. Họ bắt đầu thử nghiệm bằng việc đổ một lớp dạng bột – gồm những phân tử kim loại hỗn hợp – lên một mặt phẳng. Một máy tính điều khiển chùm tia laser năng lượng cao chiếu lên trên bề mặt. Những phân tử kim loại sẽ nóng chảy. Sau đó, thêm vào một lớp bột mới, tiếp tục xử lý bằng tia laser để làm tan chảy các phân tử rồi gắn kết với lớp bên dưới. Lặp đi lặp lại như vậy, các kỹ sư có thể tạo ra những kết cấu phức tạp như trong động cơ tên lửa.

Vài năm trước, Vương Doãn Mẫn, người lãnh đạo nhóm nghiên cứu Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở California, chia sẻ: Một vấn đề tồn tại từ lâu với thép không gỉ trong công nghệ in là tỷ lệ rỗng còn cao, khiến thép trở nên yếu và dễ đứt gãy. Vì vậy, kết quả này thật đáng kinh ngạc”. Vương và các đồng nghiệp đã đi theo hướng sử dụng tia laser và kỹ thuật làm mát nhanh khi làm tan chảy những phân tử kim loại hỗn hợp trong cùng một khu vực mật độ, để tạo nên cấu trúc nén chặt.

Tới nay, khả năng chế tạo loại thép này đã được mở rộng hơn rất nhiều khi nhóm của của Wang đã thiết kế một quy trình điều khiển bằng máy tính, không chỉ tạo ra những lớp thép không gỉ dày mà còn để kiểm soát chặt cấu trúc vật liệu ở mức độ nano tới micro mét.

in-3D-thep-khong-gi-4
Cấu tríc kim loại lỏng sản xuất vật liệu 2D

Thành tựu này cho phép máy in 3D có thể  xây dựng những cấu trúc giống tế bào cực nhỏ, có chức năng giống như bức tường ngăn ngừa sự đứt gãy và những rủi ro phổ biến hay gặp ở thép.

Thử nghiệm cho thấy, trong một số điều kiện nhất định, thép không gỉ in 3D có thể cứng gấp ba lần so với thép sản xuất bằng những phương pháp thông thường, và vẫn dễ uốn (công bố trên Nature Materials).

“Những gì họ làm thực sự rất ấn tượng”, Rahul Panat – kỹ sư cơ khí tại Đại học Carnegie ở Pittsburgh (Pennsylvania) nhận xét. Hơn thế nữa, Panat tin rằng công nghệ in 3D có thể dễ dàng để chế tạo hàng loạt những sản phẩm như thùng chứa nhiên liệu trên máy bay tới các ống chịu lực trong nhà máy điện hạt nhân từ thép không gỉ có độ bền cao.

in-3D-thep-khong-gi-2
Khung xe đạp được sinh viên TU Delft sử dụng robot MX3D để in 3D bằng thép không gỉ
in-3D-thep-khong-gi-1
Hiện nay công nghệ vật liệu tiên tiến nhất của khu vực mới chỉ là xi măng cho công nghệ in 3D của SCG. SGC hãng vật liệu lớn nhất Thái Lan giới thiệu sản phẩm in 3D tại EXPO Bangkok 2017