Ngành công nghiệp chế tạo ô tô, cùng với ngành hàng không vũ trụ và y tế, một trong ba lĩnh vực tiên phong ứng dụng hiệu quả công nghệ in 3D. Các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới đã đâu tư và trang bị các máy in 3D trong dây chuyền sản xuất. Các mẫu xe độc đáo và ý tưởng thiết kế các mẫu xe này dựa trên công nghệ in 3D ngày càng gia tăng, đặc biệt là cho sản xuất hàng loạt.
1. Giới thiệu
Hiện nay, công nghệ in 3D đã và đang tác động mạnh mẽ đến một số lĩnh vực như hàng không vũ trụ, quốc phòng, y tế, và ngành công nghiệp chế tạo ô tô. Trong các số trước, chúng tôi đã giới thiệu về công nghệ in 3D và phân tích các ứng dụng của nó trong ngành hàng không vũ trụ (Tự động hóa ngày nay, Số 215+216, tháng 1+2/2019). Trong số này, chúng tôi sẽ tiếp tục giới thiệu tới bạn đọc một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác của công nghệ này là ngành công nghiệp chế tạo ô tô.
Ngành ô tô là một trong những ngành công nghiệp lớn nhất thế giới, với tốc độ tăng trưởng chóng mặt. Đây cũng là ngày công nghiệp ứng dựng nhiều thành tự khoa học và những công nghệ tiên tiến được phát triển trên thế giới về cơ khí, động lực, vật liệu, tự động hóa, điện điện tử, điều khiển … và công nghệ in 3D cũng không phải là trường hợp ngoại lệ.
Theo báo cáo của tổ chức Wohlers, năm 2018 ngành công nghiệp ô tô là ngành lớn thứ ba sử dụng công nghệ in 3D, và là một trong những ngành tiên phong sử dụng công nghệ in 3D (Hình 1). Các ứng dụng của công nghệ in 3D chiếm khoảng 16% toàn bộ ngành công nghiệp chế tạo ô tô.
Hình 1. Ứng dụng của công nghệ in 3D trong các lĩnh vực khác nhau
Nhờ sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra các vật mẫu trước khi sản xuất sản phẩm cuối cùng, các nhà sản xuất ô tô có thể kiểm tra chất lượng trước khi sản xuất và chế tạo hàng loạt trong công nghiệp. Các công ty có thể xây dựng và thử nghiệm nhiều mẫu khác nhau để đưa ra lựa chọn mẫu tối ưu nhất. Ví dụ General Motors sử dụng công nghệ thiêu kết laser (Selective Laser Sintering, SLS) và công nghệ in 3DStereolithography(SLA) để sản xuất hơn 20000 các mẫu khác nhau. Công ty Dana kết hợp tạo mẫu nhanh bởi in 3D và mô phỏng để nhanh chóng kiểm tra hình dạng và sự phù hợp của các mẫu thiết kế.Trên thực tế, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đã đầu tư máy in 3D ngay sau khi chúng được thương mại hóa vào những năm 1980s. Việc sử dụng in 3D để tạo mẫu nhanh đã làm tăng đáng kể năng suất và rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm,trong đó việc tạo mẫu nhanh đang đóng một vai trò chủ đạo, rất quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô.
Những ưu điểm chính của in 3D là: tùy biến trong thiết kế,giảm chất thải, giảm chi phí vận chuyển, đổi mới và sáng tạo thiết kế. Đây là những lợi ích to lớn của in 3D mang lại cho các nhà sản xuất! Ngược lại, những nhược điểm chính của công nghệ này là khả năng ứng dụng sản xuất hàng loạt thấp do chi phí cao hơn và tốc độ sản xuất thấp hơn so với các phương pháp sản xuất truyền thống; yêu cầu phải hoàn thiện bề mặt sản phẩm; vật liệu sử dụng cho công nghệ in 3D vẫn còn hạn chế (so với sản xuất truyền thống); chi phí chế tạo vật liệu sử dụng cho công nghệ in 3D cũng cao hơn so với phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, sự nghiên cứu và phát triển các vật liệu cho công nghệ in 3Dvẫn đang tiếp diễn và được đẩy mạnh trên thế giới.
2. Phát huy tối đa khả năng của in 3D trong sản xuất ô tô
Trên thực tế, việc sử dụng công nghệ in 3D một cách hiệu quả trong trong ngành công nghiệp ô tô vẫn đang là thách thức lớn. Tuy nhiên, các nhu cầu ngày càng gia tăng đối với các sản phẩm tùy biến (customized products), đặc biệt là trong thị trường cao cấp, đã gia tăng sự quan tâm của các hãng sản xuất ô tô đến công nghệ này. In 3D có khả năng sản xuất các mẫu, sản phẩm mà không cần các công cụ phụ trợ (như khuôn), do đó đẩy nhanh chu kỳ thiết kế và giảm chi phí. Ngày nay, các nhà sản xuất thiết bị gốc (Original Equipment Manufacturers, OEM) và các nhà cung cấp sử dụng công nghệ này để tăng cường các hoạt động của họ như: hỗ trợ ra quyết định ở giai đoạn thiết kế sản phẩm, kiểm định chất lượng sản phẩm trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm, và phát triển các công cụ tùy chỉnh. Nhờ vậy cho phép rút ngắn thời gian để cho ra đời các mẫu xe mới.
Bên cạnh đó nhu cầu về xe hơi thân thiện hơn với môi trường đang là một vấn đề mới trong thiết kế ô tô và linh kiện của chúng. Các bộ phận và linh kiện của xe cần phải nhẹ hơn nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ. Đây là một miền ứng dụng rất phù hợp để in 3D phát huy ưu thế và sức mạnh của mình, đặc biệt là thiết kế tối ưu hình dạng hình học. Ví dụ điển hình về tận dụng ưu điểm này đó là thiết kế những chiếc xe đua. Đây là một trong những phân khúc của ngành ô tô mà công nghệ in 3D mang lại rất nhiều thuận. Các đội đua xe công thức 1 (như Renault F1, Ferrari, và McLaren …) đã sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo các bộ phận cho những chiếc xe đua của họ, như vỏ xe, bánh xe, các bộ phận khí động học, hộp điện, giá treo máy ảnh, ... Trong đội đua xe công thức 1 của Renault, họ đã in hơn 900 chiếc mỗi mùa giải. Đội Indy và NASCAR cũng sử dụng công nghệ này để chế tạo các bộ phận cho xe đua của họ.
Năm 2014, Local Motors và IMTS đã lần đầu tiên in thành công một chiếc ô tô bởi công nghệ in 3D (Hình 2). Toàn bộ khung xe, bánh xe, ghế ngồi … được chế tạo bởi in 3D. Ông Dick Elsy, giám đốc điều hành của Catapult, cho rằng: ứng dụng hợp lý tiếp theo cho in 3D là lĩnh vực ô tô cao cấp, vì ngày nay rất nhiều khách hàng tiềm năng sẵn sàng trả tiền để mua sản phẩm theo sở thích và ý tưởng của họ. Nhiều khách hàng sẵn sàng trả từ 30000 đến 50000 Bảng Anh cho loại sản phẩm này.
Hình 2. Ô tô Strati giới thiệu bởi IMTS trong năm 2014
Vào tháng 11 năm 2018, Tập đoàn BMW đã công bố: một triệu linh kiện ô tô của hãng đã được in chỉ trong mười năm, và việc sử dụng in 3D trong dây truyền sản xuất của họ không ngừng gia tăng. Từ năm 2010, hãng này đã nghiên cứu các quy trình in 3D vật liệu nhựa và kim loại. Lúc đầu, công nghệ này được sử dụng để sản xuất các bộ phận nhỏ như ròng rọc bơm nước. Vào năm 2012, các bộ phận kim loại của dòng xe Rolls-Royce Phantom cũng được in bởi công nghệ SLS. Năm 2019, Trung tâm in 3D của Tập đoàn BMW dự kiến sẽ in hơn 200000 linh kiện, tăng 42% so với năm ngoái. Đây là một ví dụ điển hình về sự tăng trưởng của in 3D trong lĩnh vực chế tạo ô tô.
Đối với sản xuất hàng loạt, ông Jens Ertel - Giám đốc Trung tâm in 3D của Tập đoàn BMW cho biết: “số lượng linh kiện được thiết kế và chế tạo bởi in 3D trong sản xuất hàng loạt tăng mạnh. Chúng tôi đang theo dõi chặt chẽ sự phát triển và ứng dụng của phương thức sản xuất này, một phần nhờ vào sự hợp tác với các nhà sản xuất máy in 3D (hãng HP). Đồng thời, chúng tôi đang tiến hành nghiên cứu đánh giá các hệ thống sản xuất tiên tiến”. Nhờ vậy, BMW đã in được một triệu linh kiện, đó là một kỳ tích! Trong đó, chi tiết thứ một triệu của BMW được in 3D là đường ray dẫn hướng cửa sổ cho xe BMW i8 Roadster (Hình 3), nó cho phép cửa kính hoạt động trơn tru. Chi tiết này được chế tạo nhờ máy in 3D HP Multi Jet Fusion, bộ phận này đã được đưa vào sản xuất hàng loạt với tần suất lên đến 100 chiếc/24 giờ.
Hình 3.Đường ray dẫn hướng cửa sổ cho BMW i8 Roadster được chế tạo bởi in 3D
Gần đây BMW đã tiết lộ một phiên bản độc đáo của xe M850i Drive, một số bộ phận của nó được làm bằng đá thiên thạch. Chiếc xe được đặt tên là M850i Night Sky. Hãng này đã làm việc với Viện nghiên cứu Max Planck để thiết kế nút khởi động, bộ chuyển động, bảng điều khiển trên cùng của bảng điều khiển trung tâm. Chúng được làm bằng đá thiên thạch màu xám lấy từ các mảnh vỡ trên Trái đất. Hệ thống phanh bằng nhôm của mẫu xe M850i Night Sky được chế tạo bởi in 3D. Các bộ phận này nhẹ hơn 30% so với phương thức chế tạo truyền thống và được thiết kế tích hợp các mạch dành riêng cho dầu phanh.
Tương tự BMW, nhà sản xuất ô tô Audi cũng đã trang bị hệ thống máy in 3D trong dây truyền sản xuất. Ví dụ, Trung tâm sản xuất của Audi ở Ingolstadt, Đức đã được trang bị các máy in 3D đa màu, đa vật liệu, Stratasys J750. Hệ thống công nghệ mới này cho phép họ đổi mới quy trình thiết kế và chế tạo các đèn hậu của xe với nhiều màu, hoàn toàn trong suốt, và được thiết kế như một chi tiết duy nhất. Ưu điểm của máy in 3D Stratasys là cho phép nhà sản xuất ô tô lựa chọn trong số hơn 500000 màu sắc, kết cấu và độ trong suốt khác nhau.
Audi có kế hoạch giảm thời gian chế tạo mẫu khoảng 50% nhờ in 3D. Các mẫu sẽ được chế tạo ở thượng nguồn của giai đoạn sản xuất, và cho phép Audi đánh giá kỹ lưỡng các sáng kiến và ý tưởng thiết kế mới. Giai đoạn tạo mẫu này rất cần thiết cho sự phát triển thiết kế các mẫu xe mới. Ngoài ra, in 3D cũng được sử dụng để sản xuất các bộ phận của ô tô như bánh xe, tay nắm cửa... Tại trung tâm in 3D của Audi, in 3D vật liệu nhựa đã thay thế sản xuất truyền thống, cho phép nhóm nghiên cứu vượt qua giới hạn của quy trình truyền thống và tăng tốc, hiệu quả thiết kế lên đáng kể.
3. Các ứng dụng trong tương lai của in 3D
Nhiều dòng xe hơi ngày nay là biểu tượng cho sự thành công của công nghệ in 3D, và nó chắc chắn sẽ còn thành công hơn nữa trong tương lai. Nhiều ứng dụng của in 3D đang và sẽ được phát triển trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô. Hình 4 chỉ ra các bộ phận của ô tô ngày nay được chế tạo bởi các công nghệ in 3D khác nhau (màu xanh lá cây), và các bộ phận còn lại (màu xanh da trời) sẽ được nghiên cứu và chế tạo toàn bội bởi in 3D trong tương lai.
Hình 4. Các ứng dụng của in 3D trong chế tạo ô tô hiện nay và trong tương lai.
Trong tương lai các phụ tùng và linh kiện thay thế của ô tô có thể được chế tạo ngay tại các đại lý bởi công nghệ in 3D. Tuy nhiên, bằng sáng chế phải được bảo vệ, và các bộ phận thay thế được chế tạo tại chỗ phải được kiểm chứng về chất lượng. Khi đó sẽ có một sự thay đổi lớn trong chuỗi giá trị sản xuất và cung ứng. Các kho dành riêng cho việc lưu trữ phụ tùng ô tô sẽ được loại bỏ hoàn toàn.
Tài liệu tham khảo
1. Công nghệ in 3D kim loại: bước đột phá trong công nghiệp chế tạo. Tự động hóa ngày nay, tháng 5/2018.
2. Công nghệ in 3D trinh phục không gian cùng ngành hàng không vũ trụ. Tự động hóa ngày nay, Số 215+216, tháng 1+2/2019.
3. Tạp chí A.3D.M về công nghệ in 3D. https://www.a3dm-magazine.fr/
4. http://www.4erevolution.com/en/industrie-automobile-imprimantes-3d/
Lê Văn Thảo - Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự