Sản xuất đắp lớp, trong đó có in 3D, cho phép kết hợp các chi tiết máy thành các mảng linh kiện, giúp giảm trọng lượng và do đó tăng hiệu suất động cơ. Đây là nền tảng để ngành hàng không –vũ trụ bước vào một giai đoạn phát triển mới.

Bussi (bên trái) và Giambra, các kỹ sư trong nhóm phát triển những chi tiết in 3D cho động cơ GE Catalyst. Ảnh: Yari Bovalino cho GE Reports.

10 năm trước, in 3D linh kiện kim loại trực tiếp từ file máy tính nghe như chuyện viễn tưởng nhưng ngày nay phương thức sản xuất này đang ngày càng phát triển. Một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ này là GE Catalyst – động cơ máy bay cánh quạt hiện đại nhất của GE vừa được thử nghiệm lần đầu vào tháng 12 năm 2017.

Hơn 1/3 chi tiết máy trong GE Catalyst được sản xuất bằng phương pháp in 3D. Đây là những linh kiện lớn, nặng vài kg và có thể có kích thước bằng một cái đèn trần. Chúng được in tại Trung tâm Công nghệ Đắp lớp (ATC) của GE Aviation tại Cincinnati, Hoa Kỳ – một trong những cơ sở sản xuất đắp lớp lớn và hiện đại nhất thế giới.

GE Catalyst – minh chứng cho tác động của in 3D đến ngành hàng không – vũ trụ

In 3D giúp các kỹ sư kết hợp thành công 855 linh kiện riêng rẽ về 12 khối linh kiện chính để lắp ráp lên GE Catalyst. GE Catalyst tiêu thụ ít hơn 20% nhiên liệu và tăng 10% công suất so với các động cơ cùng hạng, hứa hẹn sẽ mở đầu một kỷ nguyên mới cho máy bay cánh quạt.

Nhà máy rộng gần 14.000 mét vuông này tuyển dụng hơn 300 kỹ sư, nhà thiết kế, kỹ thuật viên và sử dụng hơn 75 máy in 3D, trong đó có 6 máy in thuộc loại lớn nhất thế giới. “Ban đầu tôi vẫn hơi nghi ngờ vì công nghệ này còn khá mới,” Massimo Giambra cho biết. “Nhưng khi đặt chân đến nhà máy, tôi đã hoàn toàn choáng ngợp”.

Giambra là kỹ sư của Avio Aero, một công ty Italia được GE Aviation mua lại năm 2013. Tại văn phòng làm việc ở ngoại ô Turin, Giambra và đồng nghiệp Fabrizio Bussi phụ trách thiết kế một số chi tiết in 3D quan trọng cho động cơ GE Catalyst như máy gia tốc, hộp số và quạt xoáy swirler trong buồng đốt có chức năng trộn lẫn nhiên liệu và không khí bên trong động cơ.

Kỹ sư thử nghiệm Steve Erickson bên cạnh động cơ GE Catalyst tại Pra-ha. Ảnh: Tomas Kellner.

Cũng như nhiều kỹ sư khác, Giambra và Bussi đến với in 3D không phải vì muốn thử nghiệm thứ gì đó mới mẻ, hào nhoáng mà vì những lợi ích thực tế trong quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm của công nghệ này. Nhờ in 3D, họ có thể in, thử nghiệm, chỉnh sửa sản phẩm và lặp lại quy trình đó trong vài tuần. Hơn nữa, họ còn có thể hiện thực hóa những thiết kế mà trước đây bị coi là “quá tốn kém” hoặc “bất khả thi”. Nhóm của họ đã in 3D thành công quạt xoáy swirler nguyên chiếc thay vì phải lắp ghép từ 4 thành phần như trước đây, giảm thời gian nghiên cứu xuống còn vài tuần.

“Trước đây, những kỹ sư thiết kế luôn phải tự hỏi liệu nhà máy có thể sản xuất được chi tiết này không? Nhưng những giới hạn đó không còn nữa. Các mẫu thiết kế trước đây tưởng như không thể sản xuất, giờ lại hoàn toàn có thể in 3D được,” Bussi nói và cho biết thêm rằng tiêu chuẩn thiết kế giờ đây không phải là “có thể sản xuất được” mà là “tối ưu nhất”.

In 3D có nhiều lợi thế hơn các phương pháp sản xuất truyền thống. Những kỹ thuật sản xuất kiểu cũ như khoan, đục đòi hỏi phải cắt bỏ, mài giũa vật liệu để tạo ra sản phẩm, nên khó có thể sản xuất những chi tiết có cấu tạo trong phức tạp. Máy in 3D có thể sản xuất những thiết kế phức tạp có cấu trúc rỗng hoặc cấu trúc dạng lưới bằng cách in trực tiếp từng lớp từ file máy tính.

Ví dụ, hộp số được nhóm Bussi in 3D có lớp vỏ ngoài gồm nhiều khe, rãnh nhỏ, giúp chi tiết này vừa có độ bền cao, vừa có thể chỉ mỏng 1 milimet. Nhờ đó, hộp số được in 3D nhẹ hơn 15 – 20% so với hộp số sản xuất bằng phương pháp truyền thống. “Chúng tôi có thể đạt được độ mỏng mà phương pháp rèn, đúc cổ điển không thể làm được,” Bussi tự hào.

Bên cạnh đó, công nghệ in 3D cũng cho phép các kỹ sư tăng tiến độ phát triển sản phẩm bằng cách giảm thời gian thử nghiệm thiết kế xuống chỉ còn 3 tuần. “Theo tôi, phương pháp rèn, đúc và gia công truyền thống không thể so sánh được với in 3D,” Giambra cho biết. “Giờ đây ta chỉ cần một chiếc máy để làm mọi công đoạn, không cần nhiều khuôn mẫu hay thiết bị chuyên môn khác”.

Jennifer Cipolla, người phụ trách các trung tâm trải nghiệm khách hàng của GE Additive, trong đó có công nghệ in 3D. Ảnh: GE Additive.

Với những ưu điểm đó, công nghệ đắp lớp và in 3D chắc chắn sẽ tạo ra sự phát triển mới cho ngành hàng không – vũ trụ. Thực tế, Avio Aero sẽ thành lập một cơ sở sản xuất đắp lớp mới tại miền Nam Italia, bên trong nhà máy Brindisi ở Apulia. Cơ sở này sẽ in linh kiện cho GE Catalyst và sử dụng những máy in mới của Concept Laser, một công ty sản xuất máy in 3D GE đã mua lại.

In 3D cho phép tạo ra các thiết kế rỗng, bề mặt dạng lưới bằng cách in trực tiếp từng lớp từ file máy tính. Ảnh: Tomas Kellner.

Theo Tomas Kellner & Yari M. Bovalino

BÌNH LUẬN CỦA BẠN