Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ in 3D hướng tới sản xuất hàng loạt trong các nhà máy sản xuất thông minh

Công nghệ in 3D hướng tới sản xuất hàng loạt trong các nhà máy sản xuất thông minh

Công nghiệp 4.0 không còn là một giấc mơ mà nó đã bùng bổ và trở thành hiện thực. Sự tích hợp công nghệ in 3D trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 là một trong những bước đột phá trong ngành công nghiệp chế tạo. Trong bài viết này các tác giả tập trung làm rõ xu hướng phát triển của công nghiệp in 3D, đặc biệt là các công nghệ in 3D kim loại trong các nhà máy sản xuất thông minh.

Hiện nay, mặc dù công nghệ in 3D chỉ chiếm khoảng 0,03% thị trường toàn cầu về giá trị sản phẩm, với giá trị khoảng 10.000 tỷ đô la Mỹ, nhưng nó đã chuyển từ giai đoạn chế tạo mẫu nhanh sang giai đoạn phát triển rực rỡ và tạo các chi tiết, sản phẩm sử dụng trực tiếp trong hầu hết các lĩnh vực [1]. Năm 2016, doanh thu các sản phẩm in 3D trên toàn cầu đã tăng trưởng khoảng 30%, tương đương với hơn 7 tỷ đô la Mỹ. Đây là kết luận của một nghiên cứu được tiến hành bởi văn phòng tư vấn và quản trị thuộc Bain & Company [2]. Họ đã ước tính rằng tỉ lệ tăng trưởng hàng năm của sản phẩm công nghệ in 3D sẽ tăng trên 30% và đạt 12 tỷ đôla vào năm 2019. Theo đánh giá của Bain & Company, công nghệ in 3D sẽ đạt đến quy mô sản xuất hàng loạt. Tương tự, theo các chuyên gia EFI, thị trường toàn cầu về công nghệ in 3D sẽ đạt khoảng 21 tỷ đô la vào năm 2020 [3].

Xu hướng bùng nổ của công nghệ in 3D hiện nay

Công nghệ in 3D đã được ứng dụng hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực đời sống, từ công nghiệp chế tạo, giáo dục, y tế đến xây dựng ... Chuyển mình trong một thời gian rất dài từ tạo mẫu nhanh sang mục đích chế tạo sản phẩm sử dụng trực tiếp, giờ đây công nghệ in 3D đang đạt đến giai đoạn sản xuất hàng loạt.

Công nghiệp 4.0 là thách thức rất lớn đối với nhừng nhà nghiên cứu, nhà sản xuất liên quan đến công nghệ in 3D. Theo ông Peter Sander - phụ trách về những vấn đề và công nghệ mới của hãng hàng không Airbus, Cộng hòa Pháp, từ năm 2018 hãng này đã sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo các chi tiết máy bay làm bằng hợp kim titan, coban, thép không gỉ, và hợp kim nhôm trong chuỗi sản xuất của họ (Hình 1). Các nhà công nghệ thuộc hãng hàng không của Mỹ cũng xác định công nghệ in 3D là trọng tâm trong chiến lược phát triển của họ.

alt

Hình 1. Chế tạo chi tiết máy bay bằng công nghệ in 3D kim loại SLM.

Hiện nay, một số công nghệ in 3D đã được phát triển và mở rộng khả năng cho sản xuất hàng loạt như công nghệ SLM (Selective Laser Melting – Công nghệ sử dụng năng lượng chùm tia laser làm nóng chảy bột kim loại theo từng lớp [1]) hay Destop Metal ....

SLM Solutions - hãng sản xuất máy in 3D kim loại SLM của Đức, là một trong những hãng tiên phong phát triển công nghệ SLM theo hướng sản xuất hàng loạt [4]. Với sự tích hợp đồng thời nhiều nguồn laser công suất cao (ví dụ SLM 500 Quad 400W) để đồng thời chế tạo chi tiết, công nghệ này đã cho phép tăng năng suất chế tạo và giảm giá thành chế tạo sản phẩm (Bảng 1).

Bảng 1. So sánh tốc độ và giá thành chế tạo của các máy in 3D kim loại SLM trong sản xuất hàng loạt (nguồn: SLM Solutions)

alt

Dự kiến trong năm 2019, Destop Metal sẽ tung ra thị trường máy in 3D kim loại phục vụ cho sản xuất hàng loạt. Đây là công nghệ Binder jetting cho phép tăng tốc độ chế tạo nhanh hơn gấp 100 lần so với các công nghệ in 3D khác. Tốc độ chế tạo lên đến 12000 cm3/h và cho phép giảm giá thành chế tạo xuống khoảng 20 lần [5].

alt

Hình 2. Máy in 3D kim loại Binder Jetting của hãng Desktop Metal.

Thực tế cũng cho thấy rất nhiều lĩnh vực như hàng không, vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô đã coi trọng và tích hợp công nghệ in 3D vào dây truyền sản xuất của họ. Các nhà nghiên cứu, chế tạo máy in 3D đã và đang nghiên cứu phát triển không ngừng công nghệ của họ để đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt trong công nghiệp. Qua đó có thể thấy tầm quan trọng của công nghệ in 3D và nó đang trở thành giải pháp đầy hứa hẹn cho các nhà máy thông minh.

Thị trường sẽ tiến triển như thế nào?

Trong vòng ba hoặc bốn năm gần đây, nhiều ngành công nghiệp đã dấn mình vào giai đoạn khám phá công nghệ in 3D. Những người tiên phong đổi mới đã phân tích tất cả các cấu trúc sản xuất trước đây - gia công cắt gọt hoặc đúc khuôn, để xác định liệu chúng có thể được thay thế bằng công nghệ in 3D hay không? Họ đã chuyển sang giai đoạn thích ứng với các quy trình công nghệ in 3D, từ khâu thiết kế đến sản xuất và công cấp sản phẩm ... Có thể coi đây là bước ban đầu để hướng tới sản xuất công nghiệp hàng loạt với công nghệ in 3D. Giai đoạn này đòi hỏi những phản hồi tích cực từ ngành công nghiệp chế tạo. Với khả năng công nghệ đặc biệt cho phép tự do trong thiết kế, tích hợp nhiều chức năng trong một sản phẩm, sản xuất theo yêu cầu, tiết kiệm thời gian và chi phí cũng như tiết kiệm tài nguyên và sản xuất bền vững, công nghệ in 3D sẽ đóng một vai trò then chốt trong hệ thống các nhà máy thông minh.

Phương hướng tiếp cận

Hiện nay những lợi ích của công nghệ in 3D vẫn chưa được khai thác một cách triệt để. Càng ngày các nhà thiết kế sử dụng phương pháp tiếp cận có hệ thống hơn. Các thông số liên quan đến hiệu suất được phân tích và xác định. Từ đó các giải pháp công nghệ thích hợp với sản phẩm được đề xuất và lựa chọn. Các chi tiết, sản phẩm có thể được xem xét, thiết kế lại cho phù hợp với công nghệ in 3D nhằm khai thác triệt để các ưu kiểm của công nghệ này. Đặc biệt là vấn đề tiết kiệm vật liệu và giảm thiểu giá thành sản phẩm. Các chi tiết, sản phẩm được thiết kế tối ưu có thể giảm trọng lượng lên tới 20-30% so với các chi tiết được gia công, chế tạo bằng phương pháp truyền thống. Trong một số trường hợp, trọng lượng của chi tiết có thể giảm tới có 60-80%. Dựa trên tính chất nhiệt và cơ học của vật liệu và các yêu cầu kỹ thuật của các chi tiết/sản phẩm, các nhà thiết kế có thể thiết kế được hình dạng hình học tối ưu và phù hợp với quá trình chế tạo bởi công nghệ in 3D (Hình 3). Như vậy, các chi tiết không chỉ được cải thiện tính năng làm việc mà còn nhẹ hơn và có hình dạng khác so với hình dạng thiết kế khi chế tạo bởi các phương pháp truyền thống. Mỗi gram trọng lượng tiết kiệm được thông qua thiết kế tối ưu làm gia tăng hiệu quả kinh tế của công nghệ in 3D.

alt

Hình 3. Quy trình thiết kế tối ưu sản phẩm chế tạo bởi công nghệ in 3D và ví dụ (Nguồn: Internet)

Hiện trạng công nghệ

Ban đầu công nghệ in 3D tập trung vào tốc độ sản xuất, kích thước sản phẩm và cạnh chất lượng sản phẩm (đặc tính vật liệu, độ chính xác kích thước và bề mặt). Do đó, các nhà chế tạo máy in 3D ban đầu hướng tới mục tiêu cung cấp các máy in 3D sử dụng để tạo mẫu và sản xuất loạt nhỏ, đơn chiếc và theo nhu cầu của khách hàng. Tuy nhiên, nhu cầu ngày càng tăng và xu hướng sản xuất hàng loạt trong các nhà máy thông minh thì kỳ vọng của công nghệ in 3D tiếp tục tăng và các nhà thiết kế, chế tạo và cung cấp máy in 3D phải thích ứng.

Các yêu cầu của sản xuất hàng loạt là gì?

Trước đây, máy móc được xem là "các cụm giải pháp". Chúng hoạt động như các giải pháp "độc lập" mà không thực sự tích hợp vào môi trường hoạt động sản xuất. Những máy móc này không được kết nối với nhau ở các quy trình sản xuất ở thượng nguồn cũng như ở hạ nguồn. Chúng chỉ có thể "giao tiếp" đến một mức độ nhất định trong chuỗi xử lý kỹ thuật số từ khâu thiết kế đến khâu sản xuất. Do đó các thiết bị này chưa thể thích ứng với sản xuất công nghiệp hàng loạt trong các nhà máy thông minh trong tương lai. Bên cạnh đó, việc tự động hóa các quy trình thủ công vẫn hạn chế. Trình tự các nhiệm vụ để thiết lập và sản xuất các bộ phận tại một máy (máy công cụ hoặc máy in 3D …) mất nhiều thời gian – đây gọi là "thời gian chết", dẫn đến mất nhiều thời gian chờ đợi cho người vận hành… Ngày nay, việc kết nối các máy với nhau và với các thiết bị ngoại vi vẫn là một thách thức lớn. Từ đó cho thấy rằng để đạt được mục tiêu của Công nghiệp 4.0 và tạo ra các nhà máy "thông minh", vấn đề số hóa, kết nối dữ liệu và các máy, thiết bị với nhau là vô cùng quan trọng và cần có giải pháp hiệu quả.

Nhà máy thông minh

Hiện nay các giải pháp cho nhà máy thông minh đang được đề xuất. Những máy móc, thiết bị mới được thiết kế cho phép kết nối linh hoạt giữa các máy. Các trạm xử lý và trạm trung chuyển có thể được kết hợp khi cần thiết. Các hệ thống máy móc "giao tiếp" không chỉ giữa chúng mà còn với các thiết bị ngoại vi tương ứng. Ngoài ra, liên kết và tự động hóa là yếu tố quan trọng thứ hai. Các quy trình thủ công, chẳng hạn như việc cung cấp bột kim loại mới hoặc tái xử lý các chi tiết sau khi in, cũng như thời gian ngừng hoạt động của máy, cần được giảm thiểu. Các mô-đun, ví dụ như cung cấp bột kim loại cho máy in 3D cần được tự động chuyển đến vị trí cần thiết. Từ đó có thể đến tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí, đảm bảo mức hiệu quả kinh tế cần thiết trong sản xuất hàng loạt. Những hạn chế này liên quan đến hệ thống in 3D cần được khắc phục và cải tiến để thích ứng với yêu cầu sản xuất hàng loạt trong nhà máy thông minh.

Tài liệu tham khảo

1. Lê Văn Thảo. Công nghệ in 3D kim loại: bước đột phá trong công nghiệp chế tạo. Tự động hóa ngày nay, tháng 5/2018.

2. Pierluigi Serlenga and François Montaville (Bain & Company). Five questions to shape a winning 3-D printing strategy. September 2015.

3. EFI Expert Report 2015. Expert Commission on Research and Innovation. February 2015

4. SLM Solutions. https://slm-solutions.com/

5. Desktop Metal. https://www.desktopmetal.com/products/production/

Theo TS. Lê Minh Thống - Đại học Mỏ Địa Chất, TS. Lê Văn Thảo - Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số tháng 12/2018


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo







 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết