Bước ngoặt trong công nghệ in 3D với vật liệu thép

(KTVN 236) – Công nghệ in 3D liệu có thể vươn lên từ những cấu kiện nhỏ như các kết nối để đạt được quy mô các tổ hợp lớn hoặc thậm chí các công trình? Tất nhiên là có thể với câu trả lời từ MX3D. Công ty công nghệ Robot từ Amsterdam đã chứng minh sự khả thi với một cây cầu thật, được in 3D bằng thép. Cây cầu, thiết kế bởi Joris Laarman Lab, đã được đặt bắc ngang qua kênh Ouderzijds Achterburgwal ở Amsterdam vào mùa hè năm nay.

Qua cây cầu mới, MX3D muốn chứng minh các tiềm năng của công nghệ in 3D. Công nghệ in 3D (hoặc lĩnh vực sản xuất bồi đắp nói chung) đã được biết đến qua tiềm năng liên quan đến mô phỏng, chỉnh sửa và mức độ chính xác trong quá trình chế tạo sản phẩm. Hơn thế nữa, công nghệ in 3D cũng mở đường cho việc xây dựng những kết cấu phức tạp về mặt hình học nhưng lại tối ưu về việc sử dụng vật liệu.

Cây cầu tại Amsterdam – dài 12,5m và rộng 6,3m – đã được in từ 4.500kg thép không gỉ. Công nghệ sử dụng có tên là WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing – Sản xuất Bồi đắp sử dụng Dây điện Hồ quang). Sản phẩm (trong trường hợp này là các cấu kiện kết cấu) được tạo ra bởi máy hàn robot dần dần đặt những mối hàn chồng lên nhau từng lớp một. Tốc độ đặt mũi hàn tương đương với tốc độ đạt được trong quá trình hàn “thông thường”, do vậy công nghệ WAAM được coi là công nghệ AM tương đối nhanh. Sản phẩm cũng có thể đạt được kích cỡ lớn hơn so với các công nghệ in khác ví dụ như SLM (Selective Laser Melting – Nấu chảy Laser chọn lọc) và SLS (Selective Laser Sintering – Thiêu kết Laser chọn lọc). Kích thước cuối cùng chỉ phụ thuộc vào phạm vi hoạt động của robot hàn.

Cầu 3D bắc qua kênh Ouderzijds Achterburgwal ở Amsterdam

Ý tưởng ban đầu của MX3D là để đặt 4 chiếc robot 6 trục với phạm vi hoạt động 3m tại địa điểm thực tế của cây cầu, 02 chiếc bên mỗi bờ con kênh ở Amsterdam. Đơn giản vì không gian ngoài trời này không có những khống chế như ở trong một xưởng chế tạo bình thường. Tuy nhiên, cuối cùng thì không gian sản xuất của MX3D tại Amsterdam đã được sử dụng vì các điều kiện môi trường có thể được kiểm soát dễ dàng hơn. Thiết kế ban đầu của cây cầu – một hệ giàn – cũng được thay đổi để đáp ứng yêu cầu hoạt động và các yếu tố liên quan đến tải trọng. Cây cầu hiện tại được tạo ra bởi hai tấm uốn cong 3 chiều, kết nối tại đáy qua hệ khung với cấu tạo ống rỗng và các tấm mỏng. Tất cả các thành phần được cấu tạo bởi thép không gỉ in 3 chiều. Mặt sàn cầu gắn với khung dưới là một tấm thép mỏng “truyền thống”.

Cây cầu được in bằng 4 robot trong xưởng của MX3D trong vòng 6 tháng (từ tháng 10/2017 đến tháng 4/2018). Quá trình thi công đã được theo dõi liên tục và cấu kiện được kiểm nghiệm thường xuyện. Một trong những bài học sớm được tiếp thu là đặc tính cơ học của cấu kiện sẽ phụ thuộc vào những tham số, ví dụ như tốc độ đặt hàn, góc hàn và ứng suất phát sinh từ quá trình hàn. Để khử ứng suất hàn cần phải dùng đến quá trình giải nhiệt. Bề mặt thô sau khi được in có độ nhám tương đối lớn, vì vậy một lớp bọc mỏng và trong cũng đã được sử dụng để tăng cường mức độ bảo vệ đối với các tác động từ môi trường.

Cầu được làm từ 4.500kg thép không gỉ bằng máy in robot

Quá trình kiểm tra và nghiên cứu cũng sẽ tiếp tục kể cả khi cây cầu đã được đưa vào sử dụng. Tình trạng hoạt động của cầu được giám sát qua các thiết bị cảm ứng ghi lại dữ liệu tải trọng, chuyển vị và dao động. Đồng thời cũng ghi lại các điều kiện thiên nhiên ví dụ như nhiệt độ và chất lượng không khí. Thông tin thu được sẽ đóng góp cho quá trình tìm hiểu cách cầu được sử dụng (số lượng người sử dụng, tốc độ của họ khi qua cầu,…) Thông tin được tích hợp với bản sao kỹ thuật số (digital twin) của cây cầu: là mô hình kỹ thuật số được cập nhật liên tục để phản ánh quá trình sử dụng của cây cầu trong thời gian thực. Qua việc đối chiếu giữa mô hình ảo và công trình
thực tế, sẽ có thể đúc kết được những kiến thức và kinh nghiệm hữu ích cho công nghệ in 3D vật liệu thép trong tương lai.

MX3D không cô đơn trong dự án đầy tính chất đột phá này. ARUP đã hợp tác với MX3D để tạo ra phần mềm điều khiển, biến đổi những máy hàn tự động thành các robot in 3D đủ khả năng để xây dựng cây cầu trong thực tế. Trong vai trò Kỹ sư kết cấu của dự án, ARUP cũng đảm nhiệm công tác phân tích kết cấu, thiết kế, thử nghiệm và đánh giá sự hiệu quả của cây cầu.

Quá trình in cây cầu

Các cộng sự khác trong dự án bao gồm Autodesk, Heijmans, ArcelorMittal và Joris Laarman Lab, xưởng thiết kế của KTS và đồng thời là một trong những nhà sáng lập của MX3D. Sự hỗ trợ chuyên môn được cung cấp bởi Viện Alan Turing, Lloyd’s Register Foundation, Force Technologies, Air Liquide, ABB Robotics và Lenovo./.

KS Hoàng Kiên – Công Ty TNHH ARUP Việt Nam