Bí quyết in 3D giúp kim loại cứng hơn gấp 20 lần

Công nghệ in 3D ngày nay, đặc biệt là công nghệ in dùng ánh sáng làm cứng nhựa lỏng (vat photopolymerization) đã và đang được sử dụng rộng rãi, nhưng thường bị giới hạn trong các loại polymer nhạy sáng. Một số chuyên gia kỹ thuật đã tìm cách chuyển đổi các polymer đã in thành kim loại hoặc gốm sứ, chất lượng của vật liệu cuối cùng thường không đạt yêu cầu.

Nhưng mới đây, các nhà khoa học tại tại Trường Kỹ thuật EPFL (Thụy Sỹ) tuyên bố đã thành công trong việc tìm ra phương pháp in 3D mới, cho phép chế tạo các bộ phận kim loại và gốm sứ cực kỳ đậm đặc và bền bỉ. Đáng chú ý hơn, công nghệ in 3D mới cho ra vật liệu cứng hơn gấp 20 lần so với các sản phẩm tạo ra từ kỹ thuật trước đây.

Mặt cắt khung sườn hydrogel với các hat nano đồng.

Được biết, nhóm chuyên gia nghiên cứu từ Thụy Sỹ thay vì sử dụng nhựa đã chứa hợp chất kim loại để in, đã chọn bắt đầu bằng việc in 3D một khung sườn được làm từ hydrogel, một loại gel đơn giản, có gốc nước. Cấu trúc trống này sau đó được ngâm trong muối kim loại, các chất này sẽ được biến đổi hóa học thành các hạt nano chứa kim loại siêu nhỏ và lan truyền khắp khung gel. Quá trình này có thể được lặp lại nhiều lần, được gọi là "chu kỳ phát triển," nhằm mục đích tăng nồng độ kim loại bên trong vật liệu.

Sau khoảng năm đến mười chu kỳ ngâm tẩm, phần hydrogel còn lại sẽ được loại bỏ thông qua quá trình gia nhiệt cẩn thận, để lại một cấu trúc kim loại hoặc gốm sứ rắn chắc và hoàn hảo, sao chép hình dạng ban đầu của khuôn gel. Kết quả là một vật thể cuối cùng đạt độ đậm đặc và độ bền vượt trội.

Đặc biệt, vì muối kim loại chỉ được đưa vào sau bước in, một mô hình hydrogel duy nhất có thể được chuyển đổi thành nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, gốm sứ hoặc vật liệu tổng hợp. Đại diện nhóm nghiên cứu khẳng định công nghệ mới không chỉ cho phép chế tạo kim loại và gốm sứ chất lượng cao bằng một quy trình in 3D dễ tiếp cận, chi phí thấp, mà còn mở ra một mô hình mới trong sản xuất bồi đắp, nơi việc lựa chọn vật liệu diễn ra sau khi in 3D, thay vì trước đó.

Để kiểm tra hiệu suất của kỹ thuật mới, nhóm nghiên cứu đã chế tạo các hình dạng mạng lưới toán học phức tạp gọi là gyroids từ sắt, bạc và đồng. Khi thử nghiệm độ bền bằng máy thử nghiệm vạn năng, kết quả thu được vô cùng ấn tượng. Nguyên mẫu thử nghiệm có thể chịu được áp lực cao hơn 20 lần so với những vật liệu được sản xuất bằng các phương pháp trước đây, đồng thời chỉ thể hiện sự co ngót khoảng 20%, giảm đáng kể so với mức 60-90% trước đây. Sự giảm thiểu đáng kể về độ co ngót là yếu tố then chốt giúp loại bỏ gần như hoàn toàn sự biến dạng, đảm bảo độ chính xác cao cho các bộ phận được in.

Các nhà khoa học tin rằng kỹ thuật này đặc biệt hữu ích cho việc chế tạo các cấu trúc 3D tiên tiến, những cấu trúc phải đồng thời bền bỉ, nhẹ và phức tạp, như các thiết bị cảm biến, thiết bị y sinh học, hay các thiết bị phục vụ cho việc chuyển đổi và lưu trữ năng lượng. Ví dụ, chất xúc tác kim loại là thành phần thiết yếu để kích hoạt các phản ứng chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng. Các ứng dụng khác có thể bao gồm kim loại có diện tích bề mặt lớn với đặc tính làm mát tiên tiến cho công nghệ năng lượng.

Hướng tới tương lai, nhóm nghiên cứu vẫn đang tiếp tục nỗ lực cải tiến quy trình để tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng công nghiệp, đáng chú ý là tiếp tục tăng cường độ đậm đặc của vật liệu. Một mục tiêu quan trọng khác là tăng tốc độ sản xuất. Nhất là khi các bước ngâm tẩm lặp lại, mặc dù cần thiết để tạo ra vật liệu bền hơn, lại khiến phương pháp này tốn thời gian hơn so với các kỹ thuật in 3D chuyển đổi polymer thành kim loại khác hiện có. Trong tương lai, robot sẽ được dùng để tự động hóa các bước này, hứa hẹn sẽ đưa công nghệ đột phá này sớm đến tay các nhà sản xuất trên toàn thế giới.

Quỳnh Lâm

Theo Tin dịch tổng hợp