In 3D khai phá thêm thị trường mới

86

Từ chỗ là phương thức phát triển sản phẩm mới tiên tiến, in 3D đe dọa sự tồn tại của phương thức sản xuất truyền thống khi lấn sân sang lĩnh vực sản xuất hàng loạt.

In 3D đã chứng minh sức mạnh tuyệt đối trong thiết kế và chế tạo sản phẩm mới: thiết kế những sản phẩm có hình dáng tùy ý, gộp nhiều bộ phận vào một sản phẩm và cắt ngắn thời gian từ thiết kế tới sản phẩm. Nhưng mới đây, in 3D đã lấn sân sang sản xuất hàng loạt – lãnh địa vốn thuộc về các phương thức sản xuất truyền thống –  khi phát triển một quy trình mới để in hàng loạt một “chi tiết lớn” của phiên bản động cơ phản lực GEnx sử dụng cho thế hệ máy bay Boeing 747 mới nhất.

Đây là lần đầu tiên GE thiết kế một quy trình sản xuất hàng loạt cho dòng máy in của chính họ do Concept Laser sản xuất. Danny Brandel, kỹ sư trưởng ở Trung tâm Sản xuất Đắp lớp ATC và là thành viên của nhóm thiết kế, nói: “Quá trình phát triển chỉ cần một vài chỉnh sửa nhỏ ở đây và kia là ổn, nhưng khi bắt tay vào sản xuất, mọi thứ đều phải được kiểm soát kỹ càng.” Anh cũng cho biết quy trình sản xuất phải bám theo những quy định chặt chẽ của Cục Quản lý Hàng không Liên bang (FAA) do tầm quan trọng về an toàn trong giao thông hàng không.

GE Aviation dự định bắt đầu sản xuất hàng loạt chi tiết này vào mùa hè năm nay tại nhà máy ở Auburn, Alabama. Eric Gatlin, quản lý nhóm sản phẩm tích hợp đắp lớp của GE Aviation, nói: “Dự án này mang tới rất nhiều điều “đầu tiên”. Đây là chương trình đầu tiên chúng tôi sử dụng một máy Concept Laser để chứng nhận. Đây cũng là dự án đầu tiên chúng tôi thực hiện trong vòng chưa đầy 10 tháng, từ thiết kế tới sản xuất”.

Ảnh trên: Brandel (bên trái) và Martinello (bên phải) cầm mẫu khung in 3D của động cơ GEnx.

Ảnh đầu trang: Động cơ GEnx-2B cung cấp năng lượng cho các chuyên cơ vận tải 747-8 của Boeing như CargoLogic (ở giữa) và máy bay của Qatar Airways (bên trái) trưng bày năm nay ở Farnborough. Nguồn ảnh: Tomas Kellner.

Chi tiết sẽ được in là một giá đỡ đơn giản, có kích thước bằng một chiếc xương sườn ở người, có chức năng giữ nắp động cơ mở ra trong quá trình bảo dưỡng. Là một miếng kim loại riêng lẻ, nằm bên trong một động cơ đã được cấp phép hoạt động từ năm 2010, các nhà thiết kế in 3D đã phải bám sát các bản vẽ giá đỡ được FAA phê duyệt.

Những động cơ GEnx đầu tiên sử dụng loại giá đỡ chế tạo theo phương pháp truyền thống như phay, tiện. Peter Martinello, kỹ sư cao cấp về thiết kế đắp lớp ở Trung tâm Công nghệ đắp lớp (ATC) của GE Aviation ở Cincinnati, giải thích: “Họ phay, cắt các giá đỡ từ một khối kim loại lớn. Theo quá trình phay, tiện, bạn sẽ có sản phẩm hoàn thiện nhưng bạn phải cắt bỏ đi một nửa khối kim loại đó.” Nhóm nhận ra rằng in 3D bộ phận này có thể cắt giảm 90% lượng phế liệu. “Chúng tôi chỉ phải sản xuất một số lỗ bu lông và móc chữ U là xong”.

Phương thức sản xuất mới không chỉ cho phép GE tự sản xuất bộ phận này mà còn giảm được chi phí vật tư sản xuất động cơ. Gatlin nói họ từng phải chi “một khoản lớn” cho những bộ phận này. Nhóm cũng thực hiện những chỉnh sửa nhỏ trong thiết kế để giảm được 10% khối lượng của khung. Đối với máy bay, chỉ giảm một ounce thôi cũng đã rất đáng giá.

 

Động cơ GEnx thử nghiệm ở Peebles, Ohio. Nguồn ảnh: GE Aviation.

Thiết kế, xây dựng quy trình và chế tạo sản phẩm mới chỉ là một nửa nhiệm vụ. Một nhóm các kỹ sư khác đang làm việc song song với họ để chuẩn bị máy Concept Laser sẵn sàng cho sản xuất hàng loạt. Nhóm làm việc ở cả Mỹ và Đức, hàng ngày họp trên điện thoại từ 7h30 sáng để theo dõi tiến độ và đề ra các bước tiếp theo. Martinello gọi đó là một “quá trình hợp tác chặt chẽ”.

Họ chọn máy in M2 của Concept Laser, một chiếc máy in nhanh, cỡ trung, sử dụng một cặp tia laser để in ra bốn khung một lúc. Một trong những nhiệm vụ quan trọng của nhóm là đảm bảo khung ra khỏi máy có chất lượng đồng nhất. Họ đã phải thiết kế một thiết bị tạo ra một luồng khí thổi đi lượng khói sinh ra khi các tia laser làm tan chảy các lớp bột để tạo thành “mực in”. Nếu không được xử lý, khói có thể tích bồ hóng vào trong dòng kim loại nóng chảy này và làm thay đổi độ dày của giá đỡ, đồng thời phân tán các tia laser và làm giảm độ sắc của nó. Brandel nói: “Luồng không khí khá quan trọng đối với chất lượng bên trong và bên ngoài của các bộ phận in”.

Để theo dõi các điều kiện bên trong máy in, các kỹ sư đã lắp đặt cảm biến và máy quay độ phân giải cao để theo dõi sức mạnh và độ ổn định của tia laser, mức khí oxy trong buồng in và nhiều yếu tố khác. Khi bắt đầu, họ tập trung vào từng thiết bị nhưng họ sẽ sớm đưa dữ liệu lên đám mây, giám sát cùng lúc các chỉ số cho cả nhóm máy in và tìm các dấu hiệu cho phép họ phát hiện những nguy cơ tiềm tàng. “Chúng tôi muốn định lượng mọi thứ và lấy sai số ra khỏi quá trình,” Martinello nói.

Trung tâm Công nghệ Đắp lớp (ATC) của GE Aviation ở Cincinnati có lẽ là trung tâm phát triển công nghệ in 3D lớn nhất và hiện đại nhất thế giới. Nguồn ảnh: GE Aviation.

Để dự án tiến triển nhanh hơn, nhóm quyết định in khung từ hợp kim cô ban – crôm, thay vì sử dụng siêu hợp kim gốc niken Inconel 625. Hợp kim này được FAA xác nhận có thể sử dụng bên trong động cơ. Nhưng để phương pháp này mang lại hiệu quả kinh tế, họ phải in được bốn sản phẩm cùng một lúc. Nhóm thiết kế làm việc ở ATC đã nghĩ ra một giải pháp thông minh là thiết kế bốn khung thành một tấm “in” có kích thước bằng một màn hình máy tính thông thường. Gatlin giải thích: “Nó giống như những khối gỗ trong trò chơi xếp gỗ. Tất cả các khối gỗ đều phải khít vào nhau. Khi bạn in nó, rất khó nhận ra đó là một bộ phận hay bốn bộ phận, nhưng khi được lấy ra khỏi đĩa in, chúng sẽ tự tách ra và bạn sẽ có bốn khung trong một lần in”.

Các kỹ sư ở ATC và Auburn đã dành cả mùa xuân hợp sức so sánh các ghi chú để Auburn sẵn sàng hoàn thiện các khung. Danh sách đó gồm các chỉ số in, xử lý nhiệt và các bước kiểm tra. Gatlin giải thích: “Không có bộ phận nào hoàn thiện ngay khi ra khỏi máy in để lắp thẳng vào động cơ”.

Trở lại Cincinnati, Gatlin, Martinello, Brandel và các đồng nghiệp của họ đang sẵn sàng thực hiện các dự án tiếp theo. Họ đã xác định được hơn 100 chi tiết có thể in 3D hàng loạt. Trong số đó, một phần ba là sản phẩm mới nhưng số còn lại cần phải thiết kế lại. Đây là một thị trường mới và khổng lồ cho sản xuất đắp lớp.

Theo Tomas Kellner

BÌNH LUẬN CỦA BẠN