Học viện Kỹ thuật Quân sự làm chủ công nghệ in 3D kim loại

Sáng tạo, đột phá vào lĩnh vực mới

Công nghệ in 3D (3D printing) hay công nghệ sản xuất bồi đắp (additive manufacturing) ra đời và phát triển mạnh trong những năm gần đây và trở thành một trong những công nghệ lõi của cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0. Với nguyên lý bồi đắp vật liệu theo lớp, công nghệ in 3D cho phép chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp trực tiếp từ mô hình thiết kế 3D mà không cần sử dụng khuôn mẫu, và chế tạo dễ dàng các chi tiết từ các loại vật liệu khó gia công cắt gọt. Hiện nay, công nghệ in 3D, đặc biệt là in 3D kim loại, đã được áp dụng hiệu quả trên ế giới trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô, quân sự, và trong lĩnh vực y tế.

Trong in 3D kim loại, 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. Quá trình 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.

Vì vậy, WAAM được chú ý đến như một giải pháp khả thi để chế tạo các chi tiết có kích thước lớn với 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 hợp lý. So với các công nghệ in 3D kim loại sử dụng bột kim loại và nguồn laser có giá thành đầu tư hệ thống lên đến triệu đô la, WAAM là một giải pháp hiệu quả khi chế tạo các chi tiết có kích thước lớn với chi phí đầu tư thiết bị tương đối thấp và phù hợp với điều kiện trong nước.

Nhóm nghiên cứu trao đổi hoàn thiện các chi tiết của đề tài

Ở nước ta, các nghiên cứu liên quan đến công nghệ in 3D, nhất là in 3D kim loại còn hạn chế. Hầu hết các máy in 3D tại Việt Nam được 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 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.

Trong khi đó, 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, ngày 16-12-2020, 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 bối cảnh đó, nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự, do TS. Lê Văn Thảo chủ trì, đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng rô bốt hàn có khí bảo vệ để in 3D các chi tiết kim loại từ quan điểm công nghệ, kinh tế, và môi trường”, do Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tài trợ. Đây là đề tài đầu tiên nghiên cứu bài bản và chuyên sâu về in 3D kim loại tại Việt Nam, dựa trên trang thiết bị có sẵn trong nước. Tháng 5-2023, nhóm tác giả đề tài đã được trao giải Nhì, Giải thưởng Tuổi trẻ sáng tạo trong Quân đội lần thứ 23.

Đặt nền móng cho nghiên cứu, ứng dụng và đào tạo trong nước

Nội dung nghiên cứu của đề tài tập trung vào những vấn đề cốt lõi về công nghệ, như cơ chế của quá trình nung chảy kim loại bằng hồ quang, quá trình bồi đắp và tạo hình, chất lượng chi tiết được chế tạo (hình dạng, khuyết tật, cấu trúc tế vi và các đặc tính của vật liệu) nhằm khẳng định khả năng ứng dụng trong thực tế, hướng đến các ứng dụng gắn với nhu cầu thực tế của các đơn vị trong và ngoài quân đội.

Bên cạnh đó, đề tài đã đề ra một số giải pháp nâng cao năng suất và hiệu quả của quá trình WAAM, giải quyết được vấn đề cấp bách trong thực tế sản xuất cơ khí, đó là tiết kiệm nguyên liệu và năng lượng tiêu thụ, giảm thiểu tác động ô nhiễm môi trường. Đồng thời, kết quả đề tài là cơ sở quan trọng để triển khai ứng dụng công nghệ WAAM 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 vũ khí trang bị (VKTB) trong quân đội, các thiết bị, máy móc và hệ thống cơ khí nói chung. Kết quả của đề tài cũng mở ra các hướng nghiên cứu mới, cách tiếp cận mới trong thiết kế, chế tạo và sửa chữa phục hồi các sản phẩm/chi tiết cơ khí nói chung và VKTB trong quân đội nói riêng theo hướng tiết kiệm vật liệu, giảm thiểu chi phí chế tạo, đơn giản hóa quá trình chuẩn bị công nghệ.

Cụ thể, trong lĩnh vực quân sự nhiều chi tiết quan trọng của VKTB có thể sửa chữa, phục hồi, hoặc chế tạo mới bằng công nghệ WAAM. Ví dụ, hệ thống truyền động bánh răng, các trục truyền động quan trọng, cánh tua bin, chân vịt của các loại tàu 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).

Đồ họa so sánh hiệu quả sử dụng vật liệu của sản phẩm chế tạo bằng phương pháp WAAM và gia công truyền thống .

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 nếu 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. Điển hình như chi tiết dạng loa phụt trong các loại vũ khí chống tăng được chế tạo bởi công nghệ WAAM và gia công cắt gọt đã tiết kiệm được 80% vật liệu đầu vào.

Đề tài còn có thể áp dụng vào sửa chữa và phục hồi các chi tiết cơ khí có kích thước lớn và quan trọng như các loại trục cán, trục nghiền, trục truyền động, các loại bánh răng, các loại tua bin, vách nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, các loại khuôn dập, và chế tạo các chi tiết các kích thước lớn có nhiều thành vách…

Kết quả của đề tài không chỉ đặt nền móng cho các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ in 3D kim loại tại Việt Nam, ghi danh các nhà khoa học Việt Nam trên bản đồ nghiên cứu công nghệ in 3D kim loại và WAAM trên thế giới, mà còn có ý nghĩa rất quan trọng trong đào tạo hiện nay. Tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, các nội dung nghiên cứu của đề tài đã được đưa vào hướng dẫn nghiên cứu cho học viên cao học và nghiên cứu sinh, qua đó mở ra các hướng nghiên cứu mới trong đào tạo sau đại học.

Với hướng nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ cũng đã hoàn thành một đề tài định hướng cấp Học viện, thử nghiệm chế tạo thành công phôi cho chi tiết loa phụt trong các loại súng chống tăng nhằm tiết kiệm chi phí vật liệu, thời gian và năng lượng tiêu thụ so với phương pháp gia công truyền thống (hiện đang được thực hiện tại nhà máy Z125). Nhóm nghiên cứu cũng mở mới một đề tài về công nghệ WAAM do Quỹ NAFOSTED tài trợ.

Kết quả nghiên cứu có tính thực tiễn cao, phù hợp với điều kiện công nghệ và yêu cầu thực tế trong nước. Hiện nay, kết quả của đề tài đang được triển khai thử nghiệm tại một số đơn vị trong và ngoài quân đội nhằm đưa ra các giải pháp sửa chữa, phục hồi chi tiết quan trọng theo nhu cầu của khách hàng. Nhóm nghiên cứu đã phối hợp với Công ty Weldtec chế tạo các mẫu sản phẩm điển hình với các loại vật liệu khác nhau cho các ứng dụng có tính phổ biến trong nước.

LÊ VĂN THẢO (Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật quân sự)