1. Tổng quan về thiết bị in 3D composite
Công nghệ in 3D, như một phương pháp sản xuất bồi đắp mang tính cách mạng, ngày càng trở nên quan trọng trong ngành sản xuất. Bằng cách xếp chồng vật liệu từng lớp, nó có thể nhanh chóng chế tạo các bộ phận chính xác phức tạp mà không cần khuôn truyền thống, rút ngắn chu trình sản xuất, cải thiện việc sử dụng vật liệu, giảm chi phí và vượt qua những hạn chế của công nghệ sản xuất truyền thống trong việc chuẩn bị các bộ phận phức tạp. Đặc biệt trong việc sản xuất số lượng nhỏ các bộ phận phức tạp và tối ưu hóa thiết kế, công nghệ in 3D đã thể hiện khả năng cạnh tranh thị trường mạnh mẽ và trở thành động lực chủ chốt trong việc thúc đẩy đổi mới sản xuất.
Vật liệu composite cũng đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hiện đại, thường bao gồm hai hoặc nhiều vật liệu có đặc tính khác nhau và thông qua việc tối ưu hóa tỷ lệ và cấu trúc, chúng đạt được hiệu suất và sự nâng cao bổ sung. Chúng được đặc trưng bởi độ bền cao, mật độ thấp, khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt độ cao, v.v. Chúng được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô, thiết bị y tế và các lĩnh vực khác, giúp giảm trọng lượng, nâng cao hiệu quả và nâng cao độ bền và hiệu suất kết cấu.
Với nhu cầu ngày càng tăng về các bộ phận-có độ chính xác cao,-hiệu suất cao, sự kết hợp giữa công nghệ in 3D và vật liệu tổng hợp đã trở thành xu hướng tất yếu. 3Thiết bị in tổng hợp D có thể sản xuất các bộ phận tổng hợp một cách nhanh chóng và chính xác, đồng thời thúc đẩy quá trình chuyển đổi và nâng cấp của ngành sản xuất. Công nghệ này không chỉ đáp ứng các yêu cầu khắt khe đối với các bộ phận phức tạp trong-các lĩnh vực cao cấp mà còn mang lại cơ hội đổi mới cho các lĩnh vực khác như nghiên cứu khoa học và giáo dục, điện tử tiêu dùng và sáng tạo văn hóa.
Hiện nay, nhiều loại công nghệ in 3D đã được phát triển, chẳng hạn như in li-tô lập thể (SLA), thiêu kết laser chọn lọc (SLS) và đúc lắng đọng nóng chảy (FDM). Công nghệ FDM đã trở thành một trong những công nghệ in 3D được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường do ưu điểm là chi phí thấp, quy trình chuẩn bị đơn giản và khả năng ứng dụng cho nhiều loại vật liệu. Quy trình in 3D polymer đang hướng tới chi phí in thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, kích thước lớn và tốc độ in cao, dần dần hiện thực hóa sản xuất hàng loạt và cạnh tranh với các quy trình sản xuất nhựa truyền thống. Các quy trình xử lý bột đã được áp dụng để sản xuất hàng loạt các bộ phận bằng nhựa, trong khi các công nghệ polyme hóa nhanh như DLP và CLIP đang cho phép in 3D polyme hóa quang để sản xuất hàng loạt nhỏ, tập trung vào các quy trình có mức tiêu thụ năng lượng thấp và hiệu suất bộ phận cao. Quy trình in 3D ép đùn vật liệu cũng đang dần hoàn thiện, thiết bị quy mô lớn,-tốc độ cao,{10}}đã được áp dụng để phát triển.
2. Tổng quan về diễn biến ngành
2.1 3Lịch sử phát triển thiết bị vật liệu composite in D
Lịch sử phát triển của công nghệ in 3D trong nước giống như một bản anh hùng ca tráng lệ về khoa học và công nghệ, ghi lại trí tuệ và lòng dũng cảm của vô số người tiên phong và chứng kiến bước nhảy vọt vĩ đại của khoa học và công nghệ Trung Quốc từ đi sau đến vượt trội. 1980, bằng sáng chế in 3D đầu tiên trên thế giới ra đời tại Nhật Bản, giống như một tia sáng của khoa học và công nghệ, đã thổi bùng ngọn lửa thảo nguyên cho sự phát triển của công nghệ in 3D toàn cầu. Tại Trung Quốc, Giáo sư Yan Yongnian đã thành lập Trung tâm tạo mẫu nhanh bằng laser tại Đại học Thanh Hoa vào năm 1988, nơi trở thành người sáng lập công nghệ tạo mẫu nhanh của Trung Quốc và đặt nền tảng vững chắc cho sự phát triển công nghệ in 3D của Trung Quốc. Kể từ đó, tốc độ phát triển của công nghệ in 3D ở Trung Quốc đã dần tăng tốc. 1993, công ty in 3D đầu tiên của Trung Quốc được thành lập, đánh dấu sự ra mắt chính thức của ngành in 3D của Trung Quốc. 1994, Giáo sư Lu Bingheng của Đại học Giao thông Tây An bắt đầu cống hiến hết mình cho việc nghiên cứu và phát triển máy in 3D. Kết quả nghiên cứu khoa học của chúng đã tạo động lực mạnh mẽ cho sự đổi mới độc lập của Trung Quốc về công nghệ in 3D.
Trong thế kỷ 21, công nghệ in 3D của Trung Quốc đã mở ra một sự phát triển nhanh chóng hơn. 2010, Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong, nhóm Giáo sư Shi Yusheng đã phát triển thành công thiết bị sản xuất bồi đắp công nghiệp-cấp 1,2mx1,2m, khu vực làm việc lớn nhất thế giới vào thời điểm đó, nêu bật sức mạnh vượt trội của Trung Quốc trong lĩnh vực-sản xuất thiết bị in 3D quy mô lớn. 2011, Giáo sư Shi Yusheng nhóm, nhờ sự xuất sắc của mình. Năm 2011, nhóm của Giáo sư Shi Yusheng, nhờ công nghệ tinh tế của mình, đã chế tạo khuôn sáp cho các bộ phận bằng hợp kim titan lớn và phức tạp cho máy bay, vệ tinh và động cơ hàng không{11}}cho Airbus và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, áp dụng công nghệ in 3D của Trung Quốc trong lĩnh vực hàng không vũ trụ cao cấp{13}}quốc tế và giành được sự khen ngợi quốc tế{14}}, Liên minh In 3D Trung Quốc chính thức được thành lập, đánh dấu rằng 3D của Trung Quốc Ngành in đã bắt đầu hướng tới một giai đoạn mới của sự phát triển chung và đổi mới hợp tác, đồng thời xây dựng một nền tảng mới để trao đổi công nghệ, tích hợp tài nguyên và mở rộng thị trường, tích hợp tài nguyên và mở rộng thị trường. Vào năm 2017, Xi'an Zhimong đã ra mắt hệ thống in 3D kim loại chùm điện tử đầu tiên của Trung Quốc, ZcompleX3, hệ thống này đã lấp đầy khoảng trống công nghệ trong lĩnh vực in 3D kim loại chùm điện tử của Trung Quốc, giúp Trung Quốc đạt đến một tầm cao mới về kim loại cao cấp Công nghệ in 3D. Năm 2018, Trung tâm Sản xuất Phụ gia của Đại học Khoa học và Công nghệ Côn Minh đã thử nghiệm thành công việc sản xuất máy in 3D đơn lớn nhất vào thời điểm đó bằng cách sử dụng. Năm 2018, Trung tâm Sản xuất Phụ gia của Đại học Công nghệ Côn Minh đã thử nghiệm thành công-sản xuất bộ phận hợp kim titan phức tạp lớn nhất được hình thành bởi quy trình SLM vào thời điểm đó, thể hiện đầy đủ tay nghề tinh tế và khả năng đổi mới mạnh mẽ của Trung Quốc trong công nghệ in 3D hợp kim titan. 2020, Học viện Trung Quốc của Công nghệ vũ trụ (CAST) đã hoàn thành thành công thử nghiệm "in 3D trong không gian" đầu tiên, đây cũng là thử nghiệm in 3D đầu tiên trên thế giới về vật liệu composite được gia cố bằng sợi-liên tục, đánh dấu thử nghiệm in 3D đầu tiên của Trung Quốc trong lĩnh vực công nghệ hàng không vũ trụ. Năm 2020, Học viện Công nghệ Vũ trụ Trung Quốc đã hoàn thành thành công thí nghiệm "in 3D trong không gian" đầu tiên, đây cũng là thí nghiệm in 3D đầu tiên trên thế giới về vật liệu composite được gia cố bằng sợi{41}}liên tục, đánh dấu bước đột phá lớn trong việc ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và cung cấp phương tiện công nghệ mới cho hoạt động khám phá và phát triển không gian trong tương lai.
2.2 Tình trạng phát triển của thiết bị vật liệu composite
Ứng dụng của vật liệu composite trong lĩnh vực khoa học và công nghệ ngày nay được cho là có chiều sâu và-chuyên sâu, đồng thời những ưu điểm về hiệu suất độc đáo của nó khiến vật liệu composite trở thành vật liệu chủ chốt không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, vật liệu composite đã trải qua một sự chuyển đổi lớn từ cấu trúc-không chịu tải-ban đầu sang cấu trúc chịu tải-chính ngày nay. Ví dụ, trong sản xuất cánh và thân máy bay, việc ứng dụng vật liệu tổng hợp không chỉ làm giảm đáng kể trọng lượng của máy bay mà còn cải thiện đáng kể độ bền và độ bền kết cấu của chúng. Trong lĩnh vực công nghiệp quốc phòng, vật liệu tổng hợp cũng đóng một vai trò quan trọng. Xe bọc thép hạng nhẹ, máy bay tàng hình, tên lửa và tên lửa và các thiết bị khác được sử dụng rộng rãi trong vật liệu composite, nhờ độ bền cao, mật độ thấp, hiệu suất tàng hình tốt và các đặc tính khác, có thể nâng cao hiệu quả chiến đấu và khả năng sống sót của thiết bị. Trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới, lưu trữ năng lượng, quang điện và các lĩnh vực mới nổi khác, vật liệu composite cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn. Trong quá trình sản xuất phương tiện sử dụng năng lượng mới, vật liệu composite có thể được sử dụng ở thân xe, vỏ pin và các bộ phận khác trong quá trình sản xuất, giúp giảm trọng lượng xe, cải thiện phạm vi di chuyển, đồng thời nâng cao tính an toàn và tiện nghi của xe. Với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực này, nhu cầu thị trường về vật liệu composite sẽ tiếp tục tăng, mang lại không gian rộng lớn cho sự phát triển của thiết bị composite in 3D.
3. 3D Toàn cảnh chuỗi ngành công nghiệp thiết bị in composite
3.1 Quy mô thị trường
3.1.1 Phân tích quy mô thị trường in 3D toàn cầu
Theo dữ liệu của báo cáo "Metal AM" do VoxelMatters, một công ty của Anh tập trung vào nghiên cứu ngành in 3D toàn cầu, công bố, quy mô thị trường in 3D kim loại toàn cầu vào năm 2022 là khoảng 2,861 tỷ USD, trong đó quy mô thị trường của phần cứng, vật liệu và dịch vụ lần lượt là 1,476 tỷ USD, 398 triệu USD và 987 triệu USD, thể hiện mức tăng trưởng-so với-năm là 26%. Thị trường in 3D kim loại toàn cầu dự kiến sẽ vượt 40 tỷ USD vào năm 2032, tăng trưởng với tốc độ CAGR là 30,3% từ năm 2022-2032. Báo cáo cũng xác định mười công ty hàng đầu trong lĩnh vực in 3D kim loại toàn cầu, đó là EOS, SLM Solutions, 3D Systems, Desktop Metal, GE Additive, BLT, Velo3D, DMG Mori, TRUMPF và HBD, đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển và mở rộng thị trường của công nghệ in 3D kim loại toàn cầu. và mở rộng thị trường.
3.1.2 Phân tích quy mô thị trường in 3D Trung Quốc
Tại Trung Quốc, thị trường in 3D đang thể hiện sức sống mãnh liệt và năm công ty dẫn đầu về thị phần là Luen Thai, Stratasys, EOS, GE và 3D Systems theo thứ tự thị phần, không công ty nào vượt quá 20%, điều này phản ánh mức độ tập trung tương đối thấp trong ngành và sự cạnh tranh khốc liệt trên thị trường, đồng thời báo hiệu tiềm năng to lớn cho sự phát triển của ngành. Trong những năm gần đây, các doanh nghiệp sản xuất của Trung Quốc đã tích cực áp dụng công nghệ in 3D để thay thế hoặc tối ưu hóa quy trình sản xuất ban đầu của họ, từ đó nâng cao tính thông minh trong sản xuất và đáp ứng nhu cầu cấp thiết của chính phủ về chuyển đổi và nâng cấp các sản phẩm sản xuất của Trung Quốc. Về quy mô thị trường, quy mô ngành in 3D của Trung Quốc cho thấy xu hướng tăng trưởng ổn định qua từng năm và tốc độ tăng trưởng nhanh hơn một chút so với tốc độ tăng trưởng chung toàn cầu, khiến ngành công nghiệp 3D của Trung Quốc chiếm tỷ trọng trên thế giới tiếp tục tăng.
Hiện tại, quy mô của ngành công nghiệp máy in 3D của Trung Quốc đang tăng lên hàng năm và tốc độ tăng nhanh hơn một chút so với tốc độ tăng trưởng chung của toàn cầu, do đó tỷ trọng của ngành công nghiệp 3D của Trung Quốc trên thế giới ngày càng tăng. Nhìn về phía trước, dưới sự phát triển nhanh chóng của ngành hàng không, ô tô, thiết bị y tế và các ngành công nghiệp khác, nhu cầu thị trường máy in 3D là rất lớn và quy mô thị trường sẽ có xu hướng mở rộng nhanh chóng.
3.2 3D Thiết bị in
3.2.1 FDM/FFF
Công nghệ FDM (Fused Deposition Molding), là một công nghệ in 3D được sử dụng rộng rãi, dựa trên nguyên tắc các vật liệu dạng sợi được làm nóng và nấu chảy, sau đó được ép đùn và xếp chồng lên nhau bằng vòi phun theo đường dẫn-được điều khiển bằng máy tính. Công nghệ này đã trở thành một trong những công nghệ in 3D được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường trong giai đoạn này với ưu điểm là chi phí thiết bị và vật liệu in thấp, quy trình chuẩn bị đơn giản, phù hợp để in trên nhiều loại vật liệu và đã chứng minh được giá trị ứng dụng tuyệt vời của nó trong nhiều lĩnh vực.
Máy in tổng hợp Stratasys F370®CR FDM® là máy in 3D hiệu suất cao mang tính biểu tượng. Nó hỗ trợ in nhiều loại vật liệu-composite có độ bền cao và vật liệu kỹ thuật-chẳng hạn như ABS-CF10 và FDM Nylon-CF10, được sử dụng để sản xuất các bộ phận có độ bền và độ bền vượt trội. Máy in có chức năng mật độ bộ phận thay đổi, có thể điều chỉnh linh hoạt mật độ cấu trúc bên trong bộ phận theo các yêu cầu sử dụng khác nhau của bộ phận, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu và giảm lãng phí vật liệu với tiền đề đảm bảo hiệu suất của bộ phận. Không gian xây dựng lớn (355 mm x 254 mm x 355 mm) giúp có thể in các bộ phận lớn để sản xuất đồ gá, đồ gá và công cụ sản xuất có độ bền cao. Ngoài ra, máy còn có khả năng giao tiếp với các hệ thống thực hiện sản xuất để quản lý và giám sát kỹ thuật số quy trình sản xuất, nâng cao năng suất và độ chính xác trong quản lý.
Markforged's Mark Two and FX20 printers are designed for continuous carbon fiber-reinforced polymers, a design feature that gives them a significant advantage in areas where part strength and lightweighting are critical. The printers are capable of printing on a wide range of materials, including thermoplastics, nylon and continuous carbon fibers, and by printing on a combination of these materials, it is possible to take full advantage of the properties of the different materials to optimize the performance of the part. For example, in the aerospace field of some parts manufacturing, the use of the printer can ensure the structural strength of the parts at the same time, significantly reduce their weight, improve the fuel efficiency and performance of the aircraft. In the field of service robots, these printers also have a wide range of applications, and can manufacture lightweight, high-strength structural components for robots, reduce the overall weight of the robot, improve its motion performance and energy efficiency, so as to achieve the dual goals of cost reduction and performance enhancement.Markforged series: including Mark2 and X7 models, using a short-cut carbon fiber blended with nylon powder doped laser sintering process, suitable for aerospace industry. Laser sintering process, suitable for aerospace, automotive, medical and other fields.
Hệ thống robot từ Phòng thí nghiệm Arevo và Phòng thí nghiệm 9T đại diện cho các ứng dụng sáng tạo của công nghệ FDM để sản xuất các hình học phức tạp. Các hệ thống này sử dụng rô-bốt sáu{2}}trục để in hiệu quả các vật liệu tổng hợp sợi ngắn- và vật liệu tổng hợp CF/PA12, đồng thời sản xuất các hình dạng phức tạp trên các bề mặt cong. Ví dụ: hệ thống rô-bốt do Arevo Labs phát triển để in vật liệu tổng hợp PEEK/CF tận dụng khả năng điều khiển chuyển động nhanh-có độ chính xác cao của rô-bốt sáu-trục để sắp xếp chính xác vật liệu in trong không gian ba-phức tạp nhằm cho phép chế tạo các bộ phận có bề mặt cong phức tạp và cấu trúc bên trong. Công nghệ này vượt qua những hạn chế của thiết bị in 3D truyền thống trong việc sản xuất các hình dạng hình học, cung cấp giải pháp hoàn toàn mới để sản xuất một số bộ phận đặc biệt trong ngành hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô và các lĩnh vực khác.. 9T Labs đã chứng minh khả năng đặt vật liệu composite CF/PA12 trên bề mặt cong, đồng thời cung cấp hỗ trợ kỹ thuật để sản xuất các bộ phận kết cấu cong có yêu cầu về hiệu suất-cao, chẳng hạn như trong sản xuất cánh động cơ aero-, trục bánh xe ô tô và các bộ phận khác.
Quy trình CF3D™ của Vật liệu tổng hợp liên tục là một công nghệ in 3D sợi liên tục mang tính cách mạng. Quy trình độc đáo này giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng khuôn hoặc lò nướng đắt tiền, giảm đáng kể chi phí sản xuất và độ phức tạp của thiết bị bằng cách sử dụng robot công nghiệp để in trên sợi khô và tẩm nhựa tại-tại chỗ chúng. Công nghệ này có thể áp dụng để sản xuất các loại sợi liên tục có hiệu suất cao-chẳng hạn như sợi carbon cấp độ hàng không-, sợi thủy tinh hoặc sợi polyamit thơm, có thể phát huy tối đa lợi thế về hiệu suất cơ học của các sợi hiệu suất cao-này và sản xuất các bộ phận tổng hợp có độ bền cao và độ cứng cao. Ví dụ: trong quá trình sản xuất các bộ phận cấu trúc trong ngành hàng không vũ trụ, quy trình CF3D™ có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận nhẹ, có độ bền cao{10}như cánh và khung thân máy bay, có thể đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất cao và các bộ phận nhẹ trong ngành hàng không vũ trụ.
Ngoài các thiết bị trên, còn có nhiều thiết bị công nghệ FDM khác đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực tương ứng. Ví dụ: máy in Ultimaker+ 3D có thể in bằng vật liệu composite chứa các hạt silicon nitride, có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, đồng thời có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận có yêu cầu chống mài mòn cao, chẳng hạn như các bộ phận-chống mài mòn trong máy móc công nghiệp, khuôn mẫu, v.v. Máy in Zmorph 2.0 3D in bằng bột nhão gốm sứ, có thể sản xuất các bộ phận có đặc tính gốm đặc biệt, chẳng hạn như các bộ phận chịu nhiệt-. Mặt khác, máy in Zmorph 2.0 3D sử dụng bột gốm để in các bộ phận có đặc tính gốm đặc biệt, chẳng hạn như các bộ phận gốm sứ có khả năng chống-nhiệt độ cao và ăn mòn-, có ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp hóa chất và điện tử. Các thiết bị này thường được kết hợp với phần mềm nguồn mở (chẳng hạn như Blender và Ultimaker Cura) để thiết kế và in mô hình. Việc áp dụng phần mềm nguồn mở cho phép người dùng linh hoạt hơn trong việc cài đặt thông số in và thiết kế mô hình, giúp giảm ngưỡng sử dụng và thúc đẩy ứng dụng rộng rãi cũng như sự phát triển đổi mới của công nghệ FDM.
3.2.2 Thỏa thuận cấp độ dịch vụ
Công nghệ đúc xử lý bằng ánh sáng (SLA) là một công nghệ in 3D có độ chính xác-cao, nguyên lý của công nghệ này là trộn các monome polyme cảm quang với các hạt hoặc sợi gia cố và dưới sự chiếu xạ của các bước sóng cụ thể của tia cực tím, chất xúc tác quang sẽ kích hoạt các monome polyme trải qua phản ứng trùng hợp quang-nhanh chóng, nhanh chóng biến đổi chúng từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, sau đó chúng được xếp chồng lên nhau trên một lớp khác theo từng lớp theo lộ trình đã định, cuối cùng tạo thành các sản phẩm ba{4} chiều mong muốn.
Công nghệ SLA có độ chính xác rất cao và có thể tạo ra các bộ phận có độ chính xác kích thước cực cao và chất lượng bề mặt mịn, đồng thời có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác rất cao, như đồ trang sức, khuôn mẫu chính xác, thiết bị y tế và các ngành công nghiệp khác. Trong sản xuất đồ trang sức, công nghệ SLA có thể in chính xác các mẫu trang sức phức tạp và tinh tế để đúc hoặc xử lý tiếp theo nhằm cung cấp các mẫu chính xác, điều này có thể rút ngắn đáng kể chu trình thiết kế và sản xuất đồ trang sức, đồng thời cải thiện chất lượng sản phẩm và sự tự do trong thiết kế. Về sản xuất khuôn chính xác, công nghệ SLA có thể tạo ra các lõi và khoang khuôn có độ chính xác cao- nhằm đảm bảo độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt của khuôn, từ đó cải thiện chất lượng và tính nhất quán của các sản phẩm đúc phun. Để sản xuất các thiết bị y tế, chẳng hạn như răng giả, vỏ máy trợ thính và các thiết bị y tế nhỏ khác, công nghệ SLA có thể tạo ra các sản phẩm phù hợp với cấu trúc sinh lý con người với độ chính xác cao, cải thiện việc sử dụng các thiết bị y tế và sự thoải mái.
Tuy nhiên, công nghệ SLA cũng có một số hạn chế. Hiện nay, các loại ma trận nhựa polyme phù hợp cho việc xử lý bằng ánh sáng còn tương đối hạn chế, điều này ở một mức độ nào đó hạn chế việc ứng dụng công nghệ này trong các lĩnh vực có yêu cầu về hiệu suất vật liệu khác nhau. Do hạn chế của loại ma trận nhựa, nó có thể không đáp ứng được yêu cầu của một số bộ phận đặc biệt về tính chất cơ học của vật liệu, khả năng chịu nhiệt, độ ổn định hóa học và các khía cạnh khác. Ngoài ra, khi thêm sợi gia cố ngắn trong quá trình in, có thể xảy ra vấn đề lắng đọng sợi, có thể dẫn đến cấu trúc bên trong của vật liệu composite không đồng đều, ảnh hưởng đến tính nhất quán về hiệu suất và độ ổn định chất lượng của các bộ phận được in. Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu không ngừng khám phá các vật liệu nhựa cảm quang mới và công nghệ gia cố sợi để mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ SLA và cải thiện chất lượng in của nó.
3.2.3 LDM/DIW
Công nghệ viết mực trực tiếp (DIW): Đây là công nghệ ép đùn được sử dụng để chế tạo các bộ phận in 3D từ gốm sứ, kim loại và các vật liệu tốt khác. Thiết bị DIW có giá cả phải chăng và phù hợp để các nhà thiết kế tạo mẫu nhanh. Công nghệ Viết mực trực tiếp (DIW), còn được gọi là Đúc lắng đọng chất lỏng (LDM), là công nghệ ép đùn độc đáo để in 3D.
Nguyên liệu thô được sử dụng trong công nghệ LDM/DIW là vật liệu tổng hợp ở dạng dung dịch, bột nhão hoặc hydrogel có độ lỏng nhất định, được xử lý và tạo hình bằng cách xử lý-gia nhiệt sau, xử lý bằng tia cực tím (UV) hoặc bổ sung các thành phần hoạt tính.
Một lợi thế đáng kể của quy trình này là khả năng tạo ra các bộ phận có độ dốc chức năng và thành phần. Trong một số tình huống ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn như sản xuất khớp nhân tạo trong lĩnh vực y sinh và sản xuất các thiết bị vật liệu gradient chức năng trong lĩnh vực điện tử, các bộ phận có thành phần vật liệu hoặc độ dốc hiệu suất khác nhau cần phải đáp ứng các yêu cầu chức năng của các bộ phận khác nhau. Công nghệ LDM/DIW có thể kiểm soát chính xác lượng đùn và tỷ lệ pha trộn của các loại mực vật liệu khác nhau trong quá trình in. Tuy nhiên, không nên thêm các loại sợi có tỷ lệ khung hình lớn và hàm lượng cao để tránh làm tắc đầu in trong quá trình in.
3.2.4 SLS/SLM
Thiêu kết laser chọn lọc (SLS), là phương pháp in 3D sử dụng nhiệt do tia laser tạo ra để nung chảy có chọn lọc các loại bột. Sử dụng hỗn hợp ma trận polyme và sợi gia cố của bột, sao cho tia laser theo mô hình 3D của hình dạng mặt cắt ngang của bột trong một vùng cụ thể của quá trình gia nhiệt, điểm nóng chảy của bột polyme tương đối thấp, liên kết ma trận và cốt thép để đạt được các thành phần của hỗn hợp. Độ chính xác bề mặt cao hơn, dễ dàng loại bỏ các cấu trúc hỗ trợ và tái chế vật liệu là những ưu điểm của khuôn SLS. Tuy nhiên, vấn đề của phương pháp này là mật độ của hai nguyên liệu trong bột trộn thường khác nhau, dễ xảy ra hiện tượng kết tủa và làm thành phần sản phẩm không đồng nhất. Ngoài ra, SLS có các yêu cầu nghiêm ngặt về kích thước hạt của nguyên liệu thô nên việc sử dụng chung các sợi ngắn có chiều dài 20-250 μm và tính chất cơ học của vật liệu composite ít được cải thiện.
4 Sự phát triển trong tương lai
Sự phát triển công nghệ đang thúc đẩy ngành công nghiệp vật liệu tổng hợp mở ra những cơ hội mới trên thị trường vận tải hàng không. Dịch vụ taxi hàng không liên-thành phố (thị trường AAM) sử dụng tất cả-máy bay eVTOL chạy điện với phạm vi khoảng 150 km yêu cầu các bộ phận tổng hợp-hiệu suất cao, trong đó công nghệ in 3D sẽ đóng vai trò then chốt. Mặc dù hiện chỉ có một số ít công ty được tài trợ tốt-nhưng tiềm năng thị trường là rất lớn, với hàng nghìn chiếc taxi bay dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào năm 2030, tạo ra không gian thị trường cho thiết bị tổng hợp in 3D.
Vật liệu composite cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo máy bay lớn, chẳng hạn như máy bay C919 sử dụng rộng rãi nhiều loại vật liệu composite, bao gồm cả vật liệu tổng hợp sợi carbon cường độ cao-dựa trên nhựa epoxy -dựa trên T800-cao-, vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh, vật liệu tổ ong aramid, cánh quạt tổng hợp sợi carbon-và các thành phần tuabin tổng hợp-làm bằng gốm. Những ứng dụng này đã cải thiện hiệu suất máy bay và chứng minh tầm quan trọng của vật liệu tổng hợp trong việc chế tạo máy bay lớn. Khi công nghệ phát triển và yêu cầu về hiệu suất, độ chính xác và độ tin cậy của các bộ phận composite tăng lên, công nghệ in 3D cung cấp giải pháp hiệu quả, chất lượng cao.
Sự tiến bộ của công nghệ in 3D đã thúc đẩy ứng dụng của nó trong lĩnh vực vật liệu composite. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới đã làm phong phú thêm các loại vật liệu tổng hợp in 3D và nâng cao hiệu suất của chúng; việc cải tiến các quy trình in, chẳng hạn như in bằng nhiệt vi sóng và in 3D có hỗ trợ bằng sóng siêu âm-, đã cải thiện tốc độ in và chất lượng của sản phẩm; và sự đổi mới của công nghệ vòi phun, chẳng hạn như vòi phun đa-và vòi phun có độ chính xác cao-, đã cải thiện độ chính xác và độ phức tạp của sản phẩm. Sự trưởng thành của công nghệ và sự mở rộng quy mô thị trường đã làm giảm giá thành của thiết bị in 3D, ngày càng có nhiều doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu có thể trang trải chi phí cho thiết bị composite in 3D, điều này thúc đẩy ứng dụng rộng rãi của nó.
Thiết bị vật liệu tổng hợp in 3D đang thể hiện sức hấp dẫn và giá trị độc đáo, mạnh mẽ của nó trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng. Chuỗi công nghiệp bao gồm từ việc lựa chọn và cung cấp nguyên liệu thô cẩn thận ở khâu thượng nguồn, đến sản xuất và tối ưu hóa phần cứng cốt lõi, thiết bị vận hành phụ trợ và các loại thiết bị in 3D ở khâu trung nguồn, đến ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hàng không vũ trụ, ô tô, y tế và điện tử tiêu dùng ở hạ nguồn, đã hình thành nên một hệ sinh thái công nghiệp hoàn chỉnh và khép kín.
Trong lĩnh vực ứng dụng, thiết bị tổng hợp in 3D đã đóng một vai trò không thể thay thế trong nhiều-lĩnh vực sản xuất cao cấp. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, nó giúp máy bay đạt được hiệu suất nhẹ và cao; trong lĩnh vực sản xuất ô tô thúc đẩy sự phát triển của ô tô theo hướng cá nhân hóa và trí tuệ; trong lĩnh vực điều trị y tế, nó cung cấp sự hỗ trợ mạnh mẽ cho việc điều trị y tế được cá nhân hóa và chính xác.
Tuy nhiên, thiết bị vật liệu tổng hợp in 3D ở cấp độ kỹ thuật vẫn đang phải đối mặt với những thách thức như cải thiện hiệu suất vật liệu, hiệu quả in ấn và cải thiện tiêu chuẩn chất lượng. Chi phí cao cũng hạn chế sự phổ biến của nó. Ngoài ra, sự thiếu hụt các chuyên gia liên ngành cũng hạn chế sự phát triển của ngành. Trong tương lai, đổi mới vật liệu, tích hợp công nghệ và mở rộng ứng dụng sẽ là hướng phát triển chính. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu composite mới sẽ mở rộng lĩnh vực ứng dụng và công nghệ in 3D sẽ tích hợp với trí tuệ nhân tạo, dữ liệu lớn, Internet of Things và các công nghệ khác để cải thiện chất lượng và hiệu quả in ấn. Đồng thời, in 3D sẽ mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng, năng lượng, văn hóa và sáng tạo, đồng thời thúc đẩy sự đổi mới và phát triển của các ngành liên quan.
Nguồn: "Hiệp hội công nghiệp vật liệu tổng hợp Trung Quốc"