In 3-D đã trưởng thành?

(KTSG) - Nếu như trước đây in 3-D chỉ để làm ra các món đồ nhỏ, bằng vật liệu đơn giản thì nay, theo New York Times, công nghệ này đã có những bước tiến lớn, có khả năng tạo ra đột phá trong ngành sản xuất linh kiện cho máy móc.

VulcanForms, một doanh nghiệp khởi nghiệp ở Massachusetts đã gọi vốn được hơn 355 triệu đô la để xây dựng một nhà máy in 3-D đời mới. Mỗi máy in nặng đến 27 tấn, cao 6 mét, sử dụng đến 150 tia laser quét và in với tốc độ nhanh để sản xuất các linh kiện công nghệ cao cho khách hàng là các doanh nghiệp trong ngành hàng không, bán dẫn, quốc phòng và y tế. Hiện nhà máy này đã có 6 máy in 3-D, dự tính sang năm số máy in sẽ tăng lên 20. Số nhân viên của VulcanForms đã tăng gấp 6 lần, lên 360 người, tuyển dụng từ các hãng danh tiếng như General Electric, Pratt & Whitney hay các công ty công nghệ như Google và Autodesk.

Nguyên liệu cho máy in là titanium và các kim loại khác, máy sẽ cho ra các lớp liên tiếp chồng lên nhau, mỗi lớp chỉ dày cỡ sợi tóc, tổng cộng một mẫu, tùy thiết kế, có thể có đến 20.000 lớp như vậy. Máy in được khằn kín, bên trong là khí argon, một loại khí trơ để giảm đến mức thấp nhất khả năng phơi nhiễm vật lạ làm mất độ tinh khiết và gây hỏng thiết bị được in.

In 3-D ra đời từ thập niên 1980 và được ca tụng như một công nghệ có thể làm thay đổi cuộc sống đến tận gốc rễ. Trước đây để sản xuất một linh kiện nào đó, người ta làm khuôn đúc rồi nung chảy nguyên liệu, đổ vào khuôn, đúc nên linh kiện này. Cách thứ nhì là dùng máy tiện để cắt, bào, gọt một thỏi nguyên liệu thành hình thù như thiết kế. In 3-D làm ngược lại, đắp dần nguyên liệu thành từng lớp, dần dần “in” ra đúng linh kiện đó theo thiết kế trên máy tính. Trước đây in 3-D chỉ tiến hành trên các nguyên liệu dễ chế biến như plastic và thời gian in rất lâu nên chỉ được dùng để làm vật mẫu chứ không thể sản xuất đại trà.

Còn nhiều hoài nghi

Bên dưới bài báo về đề tài in 3-D của tờ New York Times, độc giả đưa ra nhiều nhận xét, trong đó nhận xét của những người có chuyên môn tỏ ra nghi ngờ về bước tiến đột phá trong công nghệ in 3-D. Chẳng hạn một người cho rằng in 3-D, cũng như công nghệ nano, được ca tụng có tiềm năng to lớn từ mấy chục năm rồi nhưng vẫn cứ ở dạng tiềm năng. In 3-D có thể hiệu quả với một số kim loại quý hiếm nhưng chưa thể triển khai với kim loại thông thường như thép, đồng, kẽm, nhôm… Linh kiện làm ra cần gia công nhiệt mới sử dụng được nên làm tăng giá thành. Các linh kiện quan trọng thì chưa bảo đảm cấu trúc bền vững nên luôn đặt ra mối rủi ro có sự cố bất ngờ. In 3-D có nhiều ứng dụng quan trọng nhưng khó lòng thay thế các phương pháp sản xuất truyền thống về cả chất lượng, giá thành lẫn quy mô sản xuất.

VulcanForms là thế hệ máy in 3-D mới nhất, có thể khắc phục các nhược điểm của in 3-D trước đây. Các tia laser nung chảy kim loại, nhựa hay vật liệu composite để tạo ra các lớp, đắp dần lên để hình thành linh kiện, vì thế công nghệ in 3-D còn có tên chính thức là sản xuất theo kiểu đắp dần (Addictive Manufacturing). Jörg Bromberger, một chuyên gia thuộc hãng McKinsey và là tác giả chính của báo cáo mang tên “The Mainstreaming of Addictive Manufacturing”, cho rằng công nghệ này đã bắt đầu cho ra sản phẩm có chất lượng cao, dùng trong nhiều lĩnh vực.

Trong những năm gần đây, một số hãng lớn đã sử dụng công nghệ in 3-D để làm ra các linh kiện chuyên dụng, như hãng General Electric dựa vào in 3-D để sản xuất các vòi phun nhiên liệu cho động cơ phản lực. Hãng Stryker làm ra các thiết bị cấy vào cột sống và hãng Adidas in đế mắt cáo cho loại giày thể thao cao cấp. Ngành nha khoa đang sử dụng các thiết bị trồng răng hay nong thẳng hàm răng do in 3-D làm ra. Trong thời gian đại dịch Covid-19, các máy in 3-D chạy ngày đêm để sản xuất gấp các linh kiện cho máy thở.

Các chuyên gia trong ngành cho rằng tiềm năng của in 3-D là rộng lớn hơn nhiều so với thị trường trước đây chỉ có một vài loại sản phẩm chuyên dụng. Họ ước tính thị trường in 3-D sẽ tăng gấp ba lên 45 tỉ đô la trên toàn cầu vào năm 2026. Riêng Chính phủ Mỹ thì kỳ vọng vào in 3-D để khởi động sự hồi sinh của ngành sản xuất ngay tại Mỹ, bên cạnh tự động hóa với robot và trí tuệ nhân tạo. Năm hãng lớn gồm GE Aviation, Honeywell, Siemens Energy, Raytheon and Lockheed Martin đang tham gia vào một sáng kiến mang tên “Addictive Manufacturing Forward” do Chính phủ Mỹ khởi xướng nhằm tăng cường sử dụng công nghệ in 3-D vào chế tạo và phổ biến công nghệ này cho các doanh nghiệp nhỏ và vừa ở Mỹ. Họ hy vọng thế mạnh của Mỹ về phần mềm sẽ khắc phục được sự phụ thuộc hiện nay vào linh kiện sản xuất ở nước ngoài, đặc biệt là ở Trung Quốc.

In 3-D còn có lợi thế về bảo vệ môi trường nhờ tiết kiệm khuôn đúc, giảm hao hụt nguyên liệu so với cắt, tiện, bào… Với một số linh kiện, in 3-D có thể giảm nguyên liệu đến 90% và giảm nhu cầu sử dụng năng lượng đến 50%. Nếu công nghệ tiến đến mức cải thiện tốc độ in và sản xuất quy mô lớn thì mức độ tiết kiệm chi phí sẽ rất đáng kể.

Trở lại doanh nghiệp VulcanForms do tiến sĩ John Hart, một giáo sư trường MIT thành lập vào năm 2015 cùng một nghiên cứu sinh, Martin Feldmann. Họ theo đuổi một cách tiếp cận mới là sử dụng một dãy nhiều tia laser hơn các hệ thống cũ. Phương pháp này đòi hỏi các cải tiến trong nhiều lĩnh vực như cảm biến, chùm tia laser, kể cả phần mềm để điều khiển, điều phối các tia laser như một vũ điệu phức tạp. Đến năm 2017 họ đạt được những tiến bộ đáng kể nên bắt tay xây dựng máy in đầu tiên, nhưng do thiếu tiền nên phải đến Silicon Valley huy động vốn. Công nghệ của VulcanForms nhằm khắc phục ba nhược điểm của in 3-D ngày nay: tốc độ quá chậm, chi phí quá cao và sản phẩm còn nhiều khiếm khuyết.

Hiện nay máy in 3-D của VulcanForms có thể sản sinh năng lượng laser gấp 100 lần máy in 3-D bình thường, tốc độ in nhanh hơn nhiều lần. Do công nghệ in vẫn đang là bí mật thương mại nên họ quyết định không bán máy in mà chỉ gia công sản xuất linh kiện theo đơn đặt hàng của khách. VulcanForms hiện đang kiểm soát toàn bộ quá trình sản xuất, từ làm máy in, thiết kế linh kiện, in và thử nghiệm. Đây vừa là điểm mạnh nhưng cũng là điểm yếu của mô hình kinh doanh vì không thể tạo ra một dây chuyền nhiều bên tham gia để có thể nhanh chóng tăng quy mô.

Khi sản xuất một số loại linh kiện cần thêm khâu gia công nhiệt, VulcanForms phải mua luôn một hãng chuyên làm công đoạn này là Arwood Machine. Đây là một xưởng chế tạo máy móc, tuy nhỏ, nhưng áp dụng công nghệ cao, chuyên làm linh kiện cho Bộ Quốc phòng Mỹ dùng cho máy bay phản lực, drone dưới nước, tên lửa… Về với VulcanForms, Arwood Machine sẽ tăng mức đầu tư lên gấp ba, tuyển thêm người.

Đơn đặt hàng cho VulcanForms hiện mỗi quí đều tăng gấp 10 lần, thường rất đặc biệt. Ví dụ, Cerebras, một công ty chuyên làm các hệ thống bán dẫn chuyên dụng cho các ứng dụng trí tuệ nhân tạo, năm ngoái đặt hàng cho VulcanForms chế tạo một linh kiện phức tạp để làm mát các bộ vi xử lý máy tính rất mạnh của họ. Trước hết công ty sẽ gửi cho VulcanForms bản vẽ trên máy tính dựa trên ý tưởng của họ về một hệ thống các ống bằng titanium tí hon đan xen rất phức tạp. Trong vòng 48 tiếng, VulcanForms in ra bộ linh kiện để kỹ sư hai bên ngồi thảo luận, tinh chỉnh các chi tiết, sau đó sản xuất linh kiện hoàn chỉnh đưa vào sử dụng. Công nghệ in 3-D giúp các kỹ sư tạo ra những thiết kế mới cải thiện hiệu suất mà bằng các phương pháp truyền thống họ không thể nào sản xuất được.