Hợp kim Titan mới giúp in 3D bền hơn và rẻ hơn

Các kỹ sư từ Viện Công nghệ Hoàng gia Melbourne (RMIT) đã công bố một quy trình sản xuất mới để tạo ra titan in 3D. Thiết kế cải tiến này thay thế các thành phần đắt tiền, đồng thời tăng cường độ bền và giảm chi phí cũng như thời gian sản xuất. Dưới đây là cách hợp kim titan nâng cấp này có tiềm năng cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp, đồng thời truyền cảm hứng cho các thiết kế composite mới đầy sáng tạo.

Hợp kim Titan in 3D

Khả năng in 3D hợp kim titan chỉ mới xuất hiện khoảng một thập kỷ và vẫn tiếp tục phát triển qua từng năm. Có nhiều lý do khiến các nhà khoa học tiếp tục hướng đến hợp kim titan như một vật liệu in 3D lý tưởng. Thứ nhất, chúng mang lại tỷ lệ độ bền trên trọng lượng vượt trội. Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chống ăn mòn, góp phần tăng cường ứng dụng trong y tế và các thiết bị công nghệ cao quan trọng khác.

Những phát triển gần đây đã thúc đẩy sự quan tâm đến hợp kim titan in 3D hơn nữa. Sự phát triển của các cấu trúc mạng titan có thể lặp lại đã giúp các bản in này ổn định hơn, cho phép chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng hơn. Đáng chú ý, phương pháp phổ biến nhất để in hợp kim titan là sử dụng kỹ thuật Laser Powder Bed Fusion (LPBF) hoặc Directed Energy Deposition (DED).

Hiểu về Ti-6Al-4V: Hợp kim tiêu chuẩn của ngành

Mặc dù có nhiều loại hợp kim titan, nhưng phổ biến và được ưa chuộng nhất là Titanium cấp 5 (Ti-6Al-4V). Hợp kim titan này mang lại độ bền, độ cứng và mật độ thấp cho bản in. Ngoài ra, tính linh hoạt của nó cho phép nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả việc làm thành phần chính trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và ô tô tiên tiến.

Các vấn đề với hợp kim titan in 3D

Tuy phổ biến, Titanium Cấp 5 không hoàn hảo. Nhược điểm của nó bao gồm quy trình sản xuất phức tạp, dễ bị oxy hóa, dẫn đến lỗi in. Để ngăn ngừa điều này, các thiết bị này chỉ có thể hoạt động trong môi trường khí trơ. Mỗi yêu cầu này đều làm tăng tổng chi phí in 3D titan.

Tại sao kiểm soát cấu trúc vi mô lại quan trọng trong in titan

Một trong những yếu tố hạn chế lớn nhất của phương pháp in 3D titan hiện nay là kiểm soát các chuyển đổi vi cấu trúc xảy ra trong quá trình đông đặc. Quá trình này được gọi là chuyển đổi từ cột sang đẳng trục (CET), và là một thành phần quan trọng cần được quản lý để tạo ra các bản in hợp kim titan chất lượng cao.

Cho đến nay, việc kiểm soát chính xác CET vẫn vô cùng khó khăn đối với các nhà nghiên cứu. Dữ liệu cho thấy những vật liệu này có xu hướng tạo ra các vi cấu trúc hình cột trong quá trình làm mát. Đáng buồn thay, những cấu trúc này làm hỏng tính toàn vẹn của bản in, dẫn đến các đặc tính cơ học không đồng đều và độ bền giảm.

Nghiên cứu hợp kim titan in 3D

May mắn thay, những vấn đề này có thể sẽ trở thành dĩ vãng. Một nhóm các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Hoàng gia Melbourne (RMIT) vừa tìm ra cách khai thác toàn bộ tiềm năng của hợp kim titan in 3D.

Nghiên cứu của họ¹, "Tiêu chí thành phần để dự đoán sự chuyển đổi từ cột sang cân bằng trục trong sản xuất phụ gia kim loại”, được công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications, giải thích cách họ có thể khắc phục được việc tạo ra các cấu trúc vi mô hình cột bằng cách sử dụng hỗn hợp vật liệu mới.

Nguồn - Đại học RMIT

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã thay thế vanadi bằng một thành phần độc quyền để tạo ra bản in hiệu suất cao. Nhà khoa học lưu ý rằng vanadi đắt tiền và khó gia công do nhiều yếu tố. Nhận thấy nhu cầu về tính dễ tiếp cận, họ quyết định thay thế nó bằng các lựa chọn sẵn có, đảm bảo các nhà sản xuất sẽ không phải mất nhiều thời gian tìm kiếm vật liệu cần thiết để tạo ra bản in 3D titan công suất cao trong tương lai.

Giải quyết thách thức về cấu trúc vi mô

Một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu là chứng minh rằng các kỹ sư có thể mô hình hóa và in 3D các chi tiết titan với cấu trúc vi mô cân bằng trục. Những thiết kế này sẽ mang lại các đặc tính cơ học đồng đều và có thể lặp lại, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các linh kiện chính xác.

Các thông số chính cho thành phần hợp kim

Các kỹ sư đã chia nhỏ các giai đoạn của phương pháp in hợp kim titan 3D để hiểu sâu hơn về toàn bộ quy trình. Giai đoạn đầu tiên là xác định phạm vi đông đặc không cân bằng. Phạm vi này lý tưởng để đảm bảo các bản in đều và mịn.

Bước tiếp theo là xác định hệ số hạn chế tăng trưởng. Cuối cùng, các thông số siêu lạnh vẫn là bước cuối cùng của quy trình. Trong bước này, nhóm nghiên cứu đã tính toán các thông số liên quan bằng mô phỏng quá trình đông đặc. Phần mềm này cho phép họ thử nghiệm một số vật liệu composite và theo dõi quá trình đông đặc để xác định kết quả tốt nhất.

Nghiên cứu thử nghiệm và kết quả của hợp kim titan mới

Nhóm đã tạo ra và thử nghiệm vật liệu hợp kim composite của họ tại Khu sản xuất tiên tiến của RMIT, nơi cung cấp cho họ mọi thứ họ cần để tạo ra, thay đổi và theo dõi quá trình hình thành các cấu trúc vi mô hình cột từ giai đoạn hình thành cho đến khi hoàn thiện.

Đáng chú ý, vật liệu composite được tạo ra bằng cách trộn 99% bột nguyên tố tinh khiết và trộn chúng bằng máy trộn TURBULA. Sau đó, một tia laser thể rắn TruDisk được sử dụng để làm cứng các bản in.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm bằng cách chụp ảnh vi mô các hợp kim titan. Bước này cho phép các kỹ sư đảm bảo cấu trúc nano vẫn còn nguyên vẹn trong thời gian dài sau khi quá trình in hoàn tất.

Thông qua thử nghiệm, các nhà khoa học đã có thể suy ra tầm quan trọng sống còn của một số hợp kim có cấu trúc hạt đồng nhất. Do đó, các thử nghiệm đã mang lại những kết quả đáng kinh ngạc, có thể định hình lại cách các nhà khoa học nghĩ về hợp kim titan in 3D trong tương lai.

Giai đoạn thử nghiệm đã cho phép các kỹ sư chứng minh tính chính xác của mô phỏng. Nhóm nghiên cứu đã có thể dự đoán chính xác cách một số vật liệu và thiết kế nhất định sẽ hoạt động trong quá trình thử nghiệm. Giờ đây, dữ liệu này có thể được sử dụng để tinh chỉnh quy trình sản xuất và tạo ra vật liệu composite bền chắc hơn trong tương lai.

Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra các bản in vân hạt chất lượng cao và đồng đều nhờ phương pháp mới. Thành phần của chúng bền hơn và chắc hơn so với các hợp kim titan trước đây. Ngoài ra, phương pháp này còn mang lại quy trình sản xuất dễ lặp lại, cho kết quả vân hạt đồng đều.

Nghiên cứu lợi ích của hợp kim titan in 3D

Nghiên cứu của ông mang lại nhiều lợi ích. Thứ nhất, công trình này sẽ đóng vai trò như một kim chỉ nam cho những đổi mới trong tương lai của lĩnh vực in 3D hợp kim titan. Sự hiểu biết sâu sắc hơn này có thể đóng vai trò là một khuôn khổ vững chắc mà các kỹ sư có thể sử dụng để dự đoán hình thái hạt của hợp kim kim loại trong các quy trình sản xuất bồi đắp.

Hợp kim Titan mới cho phép in đồng đều như thế nào

Một trong những lợi ích chính của phương pháp mới là khả năng in đều. Khả năng tránh hình thành các cấu trúc nano không mong muốn mang lại các bản in đều, có thể chịu được nhiều tác động hơn so với phương pháp trước đây. Độ đều của các bản in này rất quan trọng khi thảo luận về việc sử dụng chúng trong các ứng dụng có độ nhạy cao như linh kiện hàng không vũ trụ.

Cải thiện khả năng tiếp cận của công nghệ in 3D Titanium

Bằng cách thay thế vanadi, nhóm nghiên cứu giúp hợp kim titan dễ dàng tiếp cận hơn với công nghệ in 3D. Vanadi là một chất cứng, màu bạc, rất hiếm trong tự nhiên. Tính dẻo và khả năng ổn định chống oxy hóa của nó đã khiến nó trở thành một lựa chọn phổ biến. Tuy nhiên, sự khan hiếm của nó khiến việc khai thác và ứng dụng trên quy mô lớn trở nên khó khăn.

Các kỹ sư nhận thấy rằng bằng cách loại bỏ vanadi khỏi phương trình, họ có thể giảm 29% chi phí sản xuất so với các lựa chọn titan truyền thống. Do đó, nghiên cứu này có thể mở ra cơ hội cho nhiều nhà sản xuất hơn nữa sử dụng kỹ thuật đột phá này trong những năm tới.

Sản xuất hiệu quả và tùy chỉnh với hợp kim mới

Sử dụng vật liệu composite hợp kim titan mới, các kỹ sư sẽ có thể tạo ra các linh kiện hoàn toàn tùy chỉnh, có thể sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và y tế. Phương pháp sản xuất tùy chỉnh này ít lãng phí hơn nhiều so với các phương pháp trước đây, đồng thời mang lại sự linh hoạt hơn về thiết kế và tỷ lệ trọng lượng trên độ bền.

Ứng dụng trong thế giới thực

Nghiên cứu này có một số ứng dụng thực tế. Thứ nhất, các nhà sản xuất đang mong muốn tìm ra một phương pháp tiếp cận chi phí thấp cho phép họ tạo ra các linh kiện hiệu suất cao. Những nỗ lực của nhóm nghiên cứu sẽ cho phép vật liệu composite hợp kim titan được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Sau đây là một số ứng dụng rõ ràng của công nghệ này trong tương lai.

Ứng dụng trong Kỹ thuật hàng không vũ trụ

Hợp kim titan là một thành phần thiết yếu của công nghệ hàng không vũ trụ. Mỗi ounce titan đều có thể tạo nên sự khác biệt trong thiết kế hàng không vũ trụ. Do đó, ngành công nghiệp này có thể sử dụng vật liệu này để chế tạo các thành phần quan trọng như động cơ tàu vũ trụ và các bộ phận kết cấu, nhẹ hơn và bền hơn.

Ứng dụng y tế

Hợp kim này có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y tế. Các thiết bị này có khả năng tương thích sinh học vượt trội, nghĩa là chúng có thể được cấy ghép mà không bị cơ thể đào thải. Ngoài ra, chúng còn có độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn. Do đó, hợp kim titan nâng cấp có thể cải thiện quy trình cấy ghép, chân tay giả, thiết bị đeo và quy trình sản xuất các thiết bị tương thích sinh học cứu sống khác.

Ứng dụng công nghiệp ô tô

Ngành công nghiệp ô tô luôn tìm kiếm một quy trình sản xuất tốt hơn. Bạn có thể thấy công nghệ này đóng vai trò then chốt trong việc chế tạo các linh kiện động cơ điện nhẹ, hiệu suất cao và hơn thế nữa. Khả năng in 3D các bộ phận này có thể mở ra một tương lai không xa, khi bạn có thể nhận được bản thiết kế chi tiết thay thế qua email và tự in tại nhà.

Thời gian dự kiến và thương mại hóa

Thời gian ứng dụng công nghệ này dự kiến khoảng 5-10 năm. Các kỹ sư vẫn còn rất nhiều chi tiết cần hoàn thiện để đưa ý tưởng từ thử nghiệm quy mô nhỏ đến sản xuất hàng loạt. Trong tương lai gần, nhóm sẽ tập trung tìm kiếm cộng tác viên để phát triển công nghệ hơn nữa.

Các kỹ sư hiện sẽ nỗ lực đưa phương pháp in titan độc quyền của họ ra thị trường. Là một phần của chiến lược này, nhóm đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tạm thời. Giờ đây, họ sẽ tìm kiếm các đối tác sản xuất thương mại cho nghiên cứu trong tương lai và thiết lập các cơ sở sản xuất.

Các nhà nghiên cứu nghiên cứu hợp kim titan in 3D

Khoa Kỹ thuật, Trung tâm Sản xuất Bồi đắp, Đại học RMIT, Melbourne, VIC, Úc, đã chủ trì nghiên cứu đột phá này. Tác giả chính của công trình là Ryan Brooke. Đáng chú ý, anh vừa mới nhận Học bổng Biên dịch Nghiên cứu tại trường. Bài báo cũng có sự đóng góp của Duyao Zhang, Dong Qiu, Mark A. Gibson và Mark Easton.

Đầu tư vào ngành kim loại in 3D

Khả năng in 3D kim loại đã mở ra cánh cửa cho những làn sóng tiến bộ công nghệ mới. Nhiều công ty đang hoạt động trong lĩnh vực này, với nhiều công ty đầu tư hàng triệu đô la vào R&D, tìm cách tạo ra các phương pháp in mới và hiệu quả hơn. Dưới đây là một công ty được coi là người tiên phong trên thị trường.

Công ty TNHH Kích thước Nano (NNDM)

Công Ty TNHH Kích Thước Nano (NNDM ) gia nhập thị trường vào năm 2012. Các nhà sáng lập công ty, Amit Dror, Sharon Fima và Simon Fried, đã thành lập công ty nhằm cải thiện việc tạo mẫu bảng mạch in (PCB) thông qua các giải pháp in 3D tiên tiến. Phương pháp của họ đã chứng minh được sự thành công, và vào năm 2020, công ty đã ra mắt máy in PCB đa lớp đầu tiên trên thị trường.

Nano Dimension Ltd hiện cung cấp nhiều sản phẩm đa dạng, giúp các công ty duy trì lợi thế công nghệ trong quy trình sản xuất. Hệ thống DragonFly IV cải thiện tốc độ in bằng cách sử dụng công nghệ in phun lắng đọng vật liệu dẫn điện và điện môi. Phương pháp này cho phép tạo mẫu nhanh hơn và giảm chi phí.

Bộ phần mềm FLIGHT là một lựa chọn phổ biến khác giúp việc làm việc với các cấu trúc phức tạp trở nên dễ dàng hơn. Nó cho phép các nhà thiết kế tạo ra các thiết kế phức tạp đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu. Khi được sử dụng kết hợp với các hệ thống in 3D siêu nhỏ, nó cho phép các nhà sản xuất phát triển và giám sát các bản in của họ ở cấp độ micron.

Tin tức và diễn biến mới nhất về cổ phiếu Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Kết luận: Đột phá về hợp kim titan của RMIT

Khả năng in 3D kim loại được xem là một bước tiến vượt bậc trong công nghệ sản xuất bồi đắp. Do đó, đã có một dòng vật liệu composite kim loại cải tiến được tạo ra liên tục, đặc biệt để đạt được kết quả tốt nhất khi in 3D. Dự án mới nhất này sẽ thúc đẩy công nghệ này tiến xa hơn nữa và cho phép các kỹ sư tạo ra những thiết kế tiên tiến hơn, hỗ trợ các công nghệ tương lai.

Tìm hiểu về những phát triển thú vị khác của sản xuất phụ gia đây.

Các nghiên cứu được tham khảo:

^{1. Brooke, R., Zhang, D., Qiu, D. et al. Tiêu chí thành phần để dự đoán quá trình chuyển đổi từ cột sang cân bằng trục trong sản xuất phụ gia kim loại. Cộng đồng 16, 5710 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60162-0}