Mỹ mở đường in 3D hàng chục nghìn linh kiện tàu ngầm

Phương tiện lặn không người lái Dive-XL. Ảnh minh họa: Anduril.

In 3D giúp Mỹ gỡ nút thắt sản xuất tàu ngầm

Hải quân Mỹ đang mở rộng việc sử dụng in 3D linh kiện tàu ngầm nhằm giảm thời gian chờ các chi tiết đúc và rèn truyền thống. Quy trình mới cho phép kỹ sư áp dụng những tổ hợp vật liệu và phương pháp sản xuất đã được phê duyệt, thay vì đánh giá lại toàn bộ hồ sơ đối với từng linh kiện.

Ngày 21/8, Hải quân Mỹ thông báo đã ban hành các yêu cầu kỹ thuật mới từ ngày 11/8. Các yêu cầu này có hiệu lực ngay đối với hoạt động thiết kế, đóng mới, đại tu và sửa chữa tàu ngầm.

Trọng tâm của thay đổi nằm trong Tài liệu Dự án Đặc thù, viết tắt là PPD, số 802-8436658. Văn bản thiết lập một quy trình thống nhất để thay thế một số vật liệu đúc và rèn bằng vật liệu kim loại được tạo ra bằng công nghệ sản xuất bồi đắp.

Sản xuất bồi đắp, thường được gọi là in 3D, tạo linh kiện bằng cách bổ sung vật liệu theo từng lớp dựa trên bản thiết kế số. Phương pháp gia công truyền thống thường cắt gọt vật liệu từ một khối kim loại hoặc đổ kim loại nóng chảy vào khuôn.

Sự khác biệt này giúp nhà sản xuất tạo những chi tiết có hình dạng phức tạp, giảm phụ thuộc vào khuôn đúc và linh hoạt hơn khi chỉ cần sản xuất số lượng nhỏ. Đây là lợi thế quan trọng với ngành tàu ngầm, nơi nhiều bộ phận có yêu cầu riêng nhưng số lượng đặt hàng không đủ lớn để hấp dẫn các nhà máy đúc và rèn thương mại.

Phê duyệt theo vật liệu thay vì từng linh kiện

Trước khi PPD 802-8436658 được ban hành, việc thay một linh kiện truyền thống bằng phiên bản in 3D có thể kéo theo một chuỗi thủ tục riêng. Các kỹ sư phải thực hiện đánh giá kỹ thuật, sửa bản vẽ thủ công và lặp lại quá trình thử nghiệm sản phẩm đầu tiên.

Quy trình mới chuyển trọng tâm từ phê duyệt từng linh kiện sang xác nhận tổ hợp vật liệu và quy trình sản xuất. Khi một vật liệu cùng phương pháp in đã được chấp thuận, nhà sản xuất chỉ cần chứng minh linh kiện được chế tạo đúng quy trình đó.

Phó Đô đốc Robert Gaucher, Giám đốc Chương trình Tàu ngầm của Hải quân Mỹ, cho rằng cơ chế cũ là một trong những rào cản cần loại bỏ để các chương trình tàu ngầm trở lại đúng tiến độ. Theo ông, sản xuất bồi đắp có thể hỗ trợ xử lý tình trạng thiếu năng lực cung ứng và các linh kiện đã lỗi thời.

Nhóm sản xuất tiên tiến thuộc Văn phòng Chương trình Cơ sở công nghiệp tàu ngầm đã phối hợp với các đơn vị kỹ thuật, nhà máy đóng tàu và nhà cung cấp để xây dựng yêu cầu mới. Hải quân Mỹ muốn đưa các linh kiện đã được chứng minh hiệu quả vào hệ thống cung ứng tiêu chuẩn, để đơn vị sử dụng có thể đặt hàng như những phụ tùng thông thường.

Trang thông tin chính thức của chương trình cho biết 101 linh kiện sản xuất bồi đắp đã được lắp đặt trên tàu nổi và tàu ngầm. Hơn 60 nhà cung cấp đang tham gia phát triển công nghệ này.

Hàng chục nghìn linh kiện nằm trong phạm vi tiềm năng

Quy mô ứng dụng tiềm năng lớn hơn nhiều so với số linh kiện đã được triển khai. Matthew Sermon, lãnh đạo Văn phòng Chương trình Tàu ngầm chiến lược của Hải quân Mỹ, từng cho biết sáu nhóm vật liệu mà lực lượng này tập trung phát triển có thể bao phủ gần 30.000 loại linh kiện trên tàu ngầm.

Các chi tiết này gồm những bộ phận đang chậm giao hoặc phụ thuộc vào những lĩnh vực sản xuất có năng lực thấp hơn thời kỳ Mỹ đóng tàu ngầm lớp Ohio. Tuy nhiên, con số gần 30.000 phản ánh phạm vi linh kiện có thể hưởng lợi từ sáu nhóm vật liệu, không đồng nghĩa toàn bộ sẽ lập tức được sản xuất bằng máy in 3D.

Áp lực đối với chuỗi cung ứng tàu ngầm Mỹ đã tích tụ trong nhiều thập kỷ. Vào thời kỳ mở rộng hạm đội trong những năm 1980, Mỹ có hơn 2.000 doanh nghiệp đúc và rèn. Hiện số cơ sở còn hoạt động chỉ bằng một phần so với giai đoạn đó, trong khi Hải quân Mỹ phải đồng thời đóng tàu ngầm lớp Columbia, lớp Virginia và duy trì đội tàu đang khai thác.

Những chi tiết đúc kích thước lớn thường trở thành điểm nghẽn vì số nhà cung cấp đủ năng lực rất hạn chế. Trong một trường hợp được công bố, Huntington Ingalls Industries đã chế tạo thành công một chi tiết đúc nặng khoảng 1.000 pound, tương đương 454 kg, cho tàu ngầm. Doanh nghiệp cho biết tiến độ cung cấp các chi tiết lớn từng ảnh hưởng trực tiếp đến cả chương trình Columbia và Virginia.

In 3D kim loại có thể hỗ trợ tốt đối với những đơn hàng ít về số lượng nhưng đa dạng về chủng loại. Nhà sản xuất không cần duy trì dây chuyền đúc riêng cho từng chi tiết, đồng thời có thể lưu bản thiết kế dưới dạng dữ liệu số và chuyển tới cơ sở đủ điều kiện sản xuất khi phát sinh nhu cầu.

Mục tiêu đóng ba tàu ngầm mỗi năm

Hải quân Mỹ đang theo đuổi mục tiêu sản xuất “1+2”, gồm một tàu ngầm mang tên lửa đạn đạo lớp Columbia và hai tàu ngầm tấn công lớp Virginia mỗi năm, song song với việc bảo dưỡng hạm đội hiện có. Các yêu cầu kỹ thuật mới được xem là một công cụ giúp mở rộng năng lực công nghiệp để phục vụ mục tiêu này.

Hiệu quả của in 3D thể hiện rõ nhất khi linh kiện truyền thống có thời gian giao hàng dài hoặc nhà sản xuất ban đầu không còn cung cấp. Báo cáo năm tài chính 2024 của chương trình công nghiệp tàu ngầm Mỹ nêu trường hợp một van điều tiết khí được quét 3D, chế tạo và lắp đặt trong 22 ngày. Nếu đặt hàng theo cách truyền thống, thời gian chờ có thể vượt 18 tháng.

Một trường hợp khác liên quan đến thân van trong hệ thống máy phát điện diesel khẩn cấp của tàu ngầm USS Pennsylvania. Nhà sản xuất báo thời gian giao hàng chín tháng và kho của Cơ quan Hậu cần Quốc phòng Mỹ không còn linh kiện dự phòng. Hải quân Mỹ đã dùng quét số, thiết kế số và sản xuất bồi đắp để hoàn thiện linh kiện trong khoảng tám tuần, qua đó rút ngắn khoảng 32 tuần và tránh chi phí ước tính 500.000 USD.

In 3D không đồng nghĩa bỏ qua kiểm định an toàn

Quy trình rút gọn không có nghĩa mọi bộ phận tàu ngầm đều có thể được in ngay lập tức. Các chi tiết chịu áp lực nước biển, nhiệt độ lò phản ứng hoặc có liên quan trực tiếp đến an toàn tàu ngầm vẫn phải đáp ứng tiêu chuẩn kiểm soát nghiêm ngặt.

Chương trình An toàn tàu ngầm Mỹ, được biết đến với tên SUBSAFE, áp dụng cơ chế kiểm soát đối với các hệ thống có nguy cơ gây ngập tàu. Những linh kiện thuộc nhóm này cần truy xuất đầy đủ nguồn vật liệu, thông số chế tạo, quá trình xử lý nhiệt và kết quả kiểm tra không phá hủy.

Hải quân Mỹ từng thừa nhận các linh kiện thuộc phạm vi SUBSAFE chưa sẵn sàng để sản xuất hàng loạt bằng in 3D. Vì vậy, công nghệ hiện phù hợp hơn với những bộ phận không trực tiếp chịu áp lực nước biển hoặc nhiệt độ cao từ hệ thống động lực hạt nhân.

Điều này cho thấy nút thắt mà PPD 802-8436658 xử lý chủ yếu nằm ở quy trình công nhận vật liệu và phương pháp sản xuất. Văn bản giúp giảm những đánh giá trùng lặp, nhưng không loại bỏ thử nghiệm cơ tính, kiểm tra khuyết tật và yêu cầu truy xuất chất lượng.

Gợi mở cho công nghiệp chế tạo Việt Nam

Kinh nghiệm của Hải quân Mỹ cho thấy giá trị lớn của in 3D kim loại không nằm ở việc thay thế toàn bộ dây chuyền đúc và rèn. Công nghệ này phát huy hiệu quả khi doanh nghiệp cần linh kiện số lượng ít, thiết kế phức tạp, thời gian giao hàng dài hoặc phụ tùng đã ngừng sản xuất.

Đối với doanh nghiệp cơ khí, năng lượng, hàng hải và quốc phòng tại Việt Nam, rào cản lớn có thể không phải giá của máy in. Khâu khó hơn nằm ở việc xây dựng cơ sở dữ liệu vật liệu, chuẩn hóa quy trình, kiểm định sản phẩm và xác định trách nhiệm khi linh kiện gặp sự cố.

Mô hình phê duyệt theo tổ hợp vật liệu và quy trình của Mỹ có thể là một kinh nghiệm tham khảo. Khi vật liệu, máy móc, thông số in và phương pháp xử lý sau in đã được kiểm chứng, doanh nghiệp có thể giảm việc thử nghiệm lại từ đầu với từng chi tiết có mức rủi ro tương đương.

Tuy nhiên, Việt Nam cần phát triển đồng thời năng lực đo lường, thử nghiệm không phá hủy và truy xuất dữ liệu sản xuất. Nếu thiếu hệ thống kiểm định độc lập, tốc độ chế tạo nhanh hơn chưa chắc tạo ra chuỗi cung ứng đáng tin cậy.

PPD 802-8436658 thay đổi điều gì?

PPD 802-8436658 tạo quy trình chung để đánh giá khả năng thay thế vật liệu đúc và rèn bằng vật liệu kim loại in 3D. Văn bản cho phép sử dụng ngay trong thiết kế, đóng mới, đại tu và sửa chữa tàu ngầm. Kỹ sư có thể dựa trên tổ hợp vật liệu và quy trình đã được phê duyệt, thay vì lặp lại toàn bộ đánh giá đối với từng linh kiện. Các bộ phận có yêu cầu an toàn cao vẫn phải tuân thủ tiêu chuẩn kiểm định riêng.