Công nghệ in 3D mới: Vượt trội với độ bền và tốc độ nhanh gấp 5 lần

Công nghệ in 3D đã mở ra những tiềm năng mới mẻ trong thời gian gần đây, giúp tùy chỉnh các nguyên mẫu và bộ phận theo những cách chưa từng thấy trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng.

Kỹ thuật này đã làm giảm đáng kể lượng chất thải và thời gian sản xuất, đồng thời cũng nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả chi phí. Tuy nhiên, nhiều vật liệu in 3D lại thiếu độ bền, gây ra nhiều lỗi tồn đọng cần phải xử lý trước và sau quá trình in.

Để giải quyết thách thức này, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia (SNL) đã phát triển một quy trình in mới, giúp tạo ra các vật liệu phi kim loại bền hơn trong thời gian kỷ lục, nhanh gấp 5 lần so với kỹ thuật in 3D truyền thống.

Samuel Leguizamon, nhà khoa học vật liệu và lãnh đạo dự án tại SNL, cho biết: “Nhóm nghiên cứu tuyên bố quy trình mới sẽ ‘mở ra một thế giới đầy sáng tạo” nhờ có các vật liệu 3D cùng những tiềm năng khai thác khổng lồ”.

Hệ thống làm mát cải tiến giúp tăng tốc độ in 3D

Phương pháp phổ biến nhất để in 3D trên các vật thể hình trụ thường là sử dụng ánh sáng để làm đông đặc lớp nhựa lỏng cảm quang theo mẫu mong muốn. Khi nhựa tiếp xúc với ánh sáng từ dưới, nó sẽ đông lại và trở thành một lớp polymer mới. Để tạo ra các lớp tiếp theo, cần nâng lớp polymer đã đông lên và áp dụng một mẫu thiết kế mới từ dưới. Tuy nhiên, vấn đề là polymer thường dính vào đáy của vật thể và lớp phía trên khi nó đông cứng.

Theo các nhà nghiên cứu, để tránh hư hỏng, polyme đã lưu hóa phải được kéo cẩn thận ra khỏi thùng sau mỗi lớp, điều này làm chậm đáng kể quá trình in 3D.

Nhóm nghiên cứu đã so sánh quá trình này với việc nướng bánh quy. Leah Appelhans, một nhà nghiên cứu của SNL làm việc trong dự án, cho biết: ‘Sau khi nướng bánh, bạn phải để chúng nguội. Nếu bạn cố gắng bóc chiếc bánh quy còn ấm ra khỏi khay, nó sẽ mềm và vỡ. Điều tương tự sẽ xảy ra với máy in 3D nếu bạn cố gắng in nhanh từng lớp”.

Nhóm nghiên cứu đã tìm ra một cách tiếp cận sáng tạo để làm nguội chất sau khi nướng, tận dụng sự kết hợp của hai nguồn sáng cụ thể: ánh sáng xanh và tia cực tím. Họ đã lấy cảm hứng từ các kỹ thuật như in bằng ánh sáng bước sóng kép để trùng hợp trên nền acrylic và in giao diện chất lỏng liên tục để phát triển phương pháp này.

Họ đã áp dụng thành công kỹ thuật này khi xây dựng SWOMP (In 3D siêu ghép Olefin bước sóng kép có chọn lọc). Leguizamon cho biết: “Bạn vẫn in từng lớp, nhưng bạn đang sử dụng bước sóng ánh sáng thứ hai để ngăn chặn quá trình trùng hợp ở đáy thùng. Vì vậy, nó không dính vào đáy. Điều đó có nghĩa là bạn có thể nâng phần polyme đã lưu hóa nhanh hơn và tăng tốc đáng kể quá trình in”.

Nâng cao độ bền vật liệu

Nhóm nghiên cứu đã tập trung vào cải thiện tính linh hoạt của vật liệu được sử dụng trong quá trình in 3D. Trong số đó, Acrylic, mặc dù không phải là loại vật liệu mạnh mẽ nhất, nhưng đã trở thành lựa chọn chủ yếu cho phần lớn các vật liệu in 3D được tạo ra. Tuy nhiên, những vật liệu này thường gặp khó khăn khi sử dụng trong các điều kiện khắc nghiệt như trong không gian, trên ô tô hoặc máy bay.

Nhóm nghiên cứu cũng đã xem xét dicyclopentadiene, một chất thường được sử dụng trong sản xuất sơn, vecni và chất dẻo chống cháy. Để làm cho nó hoạt động tốt hơn trong in 3D, họ đã tìm ra cách sử dụng ánh sáng để polyme hóa xảy ra nhanh hơn. ‘Chúng tôi đã thay đổi các khối xây dựng của vật liệu từ gốc acrylic sang gốc olefin. Điều này cho phép chúng tôi in các vật liệu cứng hơn rất nhiều,’ Leguizamon cho biết.

Các nhà nghiên cứu hy vọng thế giới in 3D sẽ mở ra nhờ công nghệ in mang tính cách mạng của họ với mục tiêu gia tăng sự đa dạng của vật liệu sẵn có để các kỹ sư, nhà nghiên cứu và nhà thiết kế có thể chọn loại vật liệu phù hợp nhất với các nhu cầu sử dụng riêng biệt và linh hoạt.

Bob Sleeper, giám đốc cấp phép tại SNL, cho biết: “Chúng tôi đang xem xét những địa điểm không có sẵn máy móc và phụ tùng; như trong không gian, trên mặt trăng hay ở Trung Đông tại một căn cứ quân sự của Hoa Kỳ. Bạn có thể mang theo một số vật liệu nhẹ và làm bất cứ thứ gì bạn cần ngay tại chỗ”.