Sản xuất bồi đắp, còn được gọi là in 3D, đã tiếp tục phát triển trong gần 35 năm kể từ khi được sử dụng thương mại. Các ngành hàng không vũ trụ, ô tô, quốc phòng, năng lượng, vận tải, y tế, nha khoa và tiêu dùng sử dụng sản xuất bồi đắp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Với sự áp dụng rộng rãi như vậy, rõ ràng là sản xuất bồi đắp không phải là giải pháp phù hợp cho mọi trường hợp. Theo tiêu chuẩn thuật ngữ ISO/ASTM 52900, hầu hết các hệ thống sản xuất bồi đắp thương mại đều thuộc một trong bảy loại quy trình. Bao gồm đùn vật liệu (MEX), quang trùng hợp trong bồn (VPP), nung chảy bột (PBF), phun chất kết dính (BJT), phun vật liệu (MJT), lắng đọng năng lượng có hướng (DED) và cán mỏng (SHL). Ở đây, chúng được sắp xếp theo mức độ phổ biến dựa trên doanh số bán hàng theo đơn vị.
Ngày càng có nhiều chuyên gia trong ngành, bao gồm các kỹ sư và nhà quản lý, đang tìm hiểu khi nào sản xuất bồi đắp có thể giúp cải thiện sản phẩm hoặc quy trình và khi nào thì không. Theo truyền thống, các sáng kiến ​​lớn để triển khai sản xuất bồi đắp đều đến từ các kỹ sư có kinh nghiệm với công nghệ này. Ban quản lý thấy nhiều ví dụ hơn về cách sản xuất bồi đắp có thể cải thiện năng suất, giảm thời gian hoàn thành và tạo ra các cơ hội kinh doanh mới. AM sẽ không thay thế hầu hết các hình thức sản xuất truyền thống, nhưng sẽ trở thành một phần trong kho vũ khí của doanh nhân về khả năng phát triển sản phẩm và sản xuất.
Sản xuất bồi đắp có nhiều ứng dụng, từ vi lưu chất đến xây dựng quy mô lớn. Lợi ích của AM thay đổi tùy theo ngành, ứng dụng và hiệu suất yêu cầu. Các tổ chức phải có lý do chính đáng để triển khai AM, bất kể trường hợp sử dụng nào. Phổ biến nhất là mô hình hóa khái niệm, xác minh thiết kế và xác minh tính phù hợp và chức năng. Ngày càng có nhiều công ty sử dụng nó để tạo ra các công cụ và ứng dụng cho sản xuất hàng loạt, bao gồm cả phát triển sản phẩm tùy chỉnh.
Đối với các ứng dụng hàng không vũ trụ, trọng lượng là một yếu tố chính. Theo Trung tâm bay vũ trụ Marshall của NASA, chi phí khoảng 10.000 đô la để đưa một tải trọng 0,45 kg vào quỹ đạo Trái đất. Giảm trọng lượng của vệ tinh có thể tiết kiệm chi phí phóng. Hình ảnh đính kèm cho thấy một bộ phận AM kim loại Swissto12 kết hợp nhiều ống dẫn sóng thành một bộ phận. Với AM, trọng lượng giảm xuống còn dưới 0,08 kg.
Sản xuất bồi đắp được sử dụng trong toàn bộ chuỗi giá trị trong ngành năng lượng. Đối với một số công ty, trường hợp kinh doanh khi sử dụng AM là lặp lại nhanh chóng các dự án để tạo ra sản phẩm tốt nhất có thể trong thời gian ngắn nhất. Trong ngành dầu khí, các bộ phận hoặc cụm lắp ráp bị hư hỏng có thể gây thiệt hại hàng nghìn đô la hoặc hơn cho năng suất bị mất mỗi giờ. Sử dụng AM để khôi phục hoạt động có thể đặc biệt hấp dẫn.
Một nhà sản xuất lớn của hệ thống DED MX3D đã phát hành một công cụ sửa chữa đường ống nguyên mẫu. Theo công ty, một đường ống bị hỏng có thể tốn từ 100.000 đến 1.000.000 euro (113.157 đô la - 1.131.570 đô la) một ngày. Thiết bị được hiển thị ở trang tiếp theo sử dụng một bộ phận CNC làm khung và sử dụng DED để hàn chu vi của đường ống. AM cung cấp tỷ lệ lắng đọng cao với chất thải tối thiểu, trong khi CNC cung cấp độ chính xác cần thiết.
Năm 2021, một vỏ bọc nước in 3D đã được lắp đặt trên giàn khoan dầu TotalEnergies ở Biển Bắc. Vỏ bọc nước là một thành phần quan trọng được sử dụng để kiểm soát việc thu hồi hydrocarbon trong các giếng đang được xây dựng. Trong trường hợp này, lợi ích của việc sử dụng sản xuất bồi đắp là thời gian hoàn thành ngắn hơn và lượng khí thải giảm 45% so với vỏ bọc nước rèn truyền thống.
Một trường hợp kinh doanh khác cho sản xuất bồi đắp là giảm công cụ đắt tiền. Phone Scope đã phát triển bộ điều hợp digiscoping cho các thiết bị kết nối máy ảnh điện thoại của bạn với kính thiên văn hoặc kính hiển vi. Điện thoại mới được phát hành hàng năm, đòi hỏi các công ty phải phát hành một dòng bộ điều hợp mới. Bằng cách sử dụng AM, một công ty có thể tiết kiệm tiền cho các công cụ đắt tiền cần được thay thế khi điện thoại mới được phát hành.
Giống như bất kỳ quy trình hoặc công nghệ nào, sản xuất bồi đắp không nên được sử dụng vì nó được coi là mới hoặc khác biệt. Điều này nhằm cải thiện quá trình phát triển sản phẩm và/hoặc quy trình sản xuất. Nó sẽ tạo thêm giá trị. Ví dụ về các trường hợp kinh doanh khác bao gồm sản phẩm tùy chỉnh và tùy chỉnh hàng loạt, chức năng phức tạp, các bộ phận tích hợp, ít vật liệu và trọng lượng hơn, và hiệu suất được cải thiện.
Để AM nhận ra tiềm năng tăng trưởng của mình, cần phải giải quyết các thách thức. Đối với hầu hết các ứng dụng sản xuất, quy trình phải đáng tin cậy và có thể tái tạo. Các phương pháp tiếp theo để tự động hóa việc loại bỏ vật liệu của các bộ phận và giá đỡ và xử lý sau sẽ giúp ích. Tự động hóa cũng làm tăng năng suất và giảm chi phí cho mỗi bộ phận.
Một trong những lĩnh vực được quan tâm nhất là tự động hóa hậu xử lý như loại bỏ bột và hoàn thiện. Bằng cách tự động hóa quy trình sản xuất hàng loạt các ứng dụng, cùng một công nghệ có thể được lặp lại hàng nghìn lần. Vấn đề là các phương pháp tự động hóa cụ thể có thể khác nhau tùy theo loại bộ phận, kích thước, vật liệu và quy trình. Ví dụ, quá trình hậu xử lý mão răng tự động rất khác so với quá trình xử lý các bộ phận động cơ tên lửa, mặc dù cả hai đều có thể được làm bằng kim loại.
Vì các bộ phận được tối ưu hóa cho AM, nên thường thêm các tính năng tiên tiến hơn và các kênh bên trong. Đối với PBF, mục tiêu chính là loại bỏ 100% bột. Solukon sản xuất các hệ thống loại bỏ bột tự động. Công ty đã phát triển một công nghệ có tên là Smart Powder Recovery (SRP) giúp quay và rung các bộ phận kim loại vẫn còn gắn trên tấm tạo hình. Quá trình quay và rung được kiểm soát bởi mô hình CAD của bộ phận. Bằng cách di chuyển và lắc chính xác các bộ phận, bột thu được sẽ chảy gần giống như chất lỏng. Quá trình tự động hóa này giúp giảm bớt công sức lao động thủ công và có thể cải thiện độ tin cậy cũng như khả năng tái tạo của quá trình loại bỏ bột.
Các vấn đề và hạn chế của việc loại bỏ bột thủ công có thể hạn chế khả năng sử dụng AM cho sản xuất hàng loạt, ngay cả với số lượng nhỏ. Hệ thống loại bỏ bột kim loại của Solukon có thể hoạt động trong môi trường trơ ​​và thu thập bột chưa sử dụng để tái sử dụng trong máy AM. Solukon đã tiến hành khảo sát khách hàng và công bố một nghiên cứu vào tháng 12 năm 2021 cho thấy hai mối quan tâm lớn nhất là sức khỏe nghề nghiệp và khả năng tái tạo.
Việc loại bỏ bột thủ công khỏi các cấu trúc nhựa PBF có thể tốn nhiều thời gian. Các công ty như DyeMansion và PostProcess Technologies đang xây dựng các hệ thống xử lý sau để tự động loại bỏ bột. Nhiều bộ phận sản xuất bồi đắp có thể được nạp vào một hệ thống đảo ngược và đẩy chất trung gian ra để loại bỏ bột thừa. HP có hệ thống riêng được cho là có thể loại bỏ bột khỏi buồng in của Jet Fusion 5200 trong 20 phút. Hệ thống lưu trữ bột chưa tan chảy trong một thùng chứa riêng để tái sử dụng hoặc tái chế cho các ứng dụng khác.
Các công ty có thể hưởng lợi từ tự động hóa nếu nó có thể được áp dụng cho hầu hết các bước xử lý sau. DyeMansion cung cấp các hệ thống để loại bỏ bột, chuẩn bị bề mặt và sơn. Hệ thống PowerFuse S tải các bộ phận, hấp các bộ phận nhẵn và dỡ chúng ra. Công ty cung cấp một giá đỡ bằng thép không gỉ để treo các bộ phận, được thực hiện thủ công. Hệ thống PowerFuse S có thể tạo ra bề mặt tương tự như khuôn phun.
Thách thức lớn nhất mà ngành công nghiệp phải đối mặt là hiểu được những cơ hội thực sự mà tự động hóa mang lại. Nếu cần sản xuất một triệu bộ phận polyme, các quy trình đúc hoặc đúc khuôn truyền thống có thể là giải pháp tốt nhất, mặc dù điều này phụ thuộc vào bộ phận. AM thường khả dụng cho lần sản xuất đầu tiên trong quá trình sản xuất và thử nghiệm công cụ. Thông qua quá trình xử lý hậu kỳ tự động, hàng nghìn bộ phận có thể được sản xuất một cách đáng tin cậy và có thể tái tạo bằng AM, nhưng nó phụ thuộc vào từng bộ phận và có thể yêu cầu một giải pháp tùy chỉnh.
AM không liên quan gì đến ngành công nghiệp. Nhiều tổ chức trình bày các kết quả nghiên cứu và phát triển thú vị có thể dẫn đến hoạt động đúng đắn của các sản phẩm và dịch vụ. Trong ngành hàng không vũ trụ, Relativity Space sản xuất một trong những hệ thống sản xuất phụ gia kim loại lớn nhất sử dụng công nghệ DED độc quyền, công ty hy vọng sẽ sử dụng công nghệ này để sản xuất phần lớn tên lửa của mình. Tên lửa Terran 1 của công ty có thể đưa tải trọng 1.250 kg lên quỹ đạo Trái đất thấp. Relativity có kế hoạch phóng một tên lửa thử nghiệm vào giữa năm 2022 và hiện đang lên kế hoạch cho một tên lửa lớn hơn, có thể tái sử dụng có tên là Terran R.
Tên lửa Terran 1 và R của Relativity Space là một cách sáng tạo để tái hiện hình ảnh của chuyến bay vũ trụ trong tương lai. Thiết kế và tối ưu hóa cho sản xuất bồi đắp đã khơi dậy sự quan tâm đến sự phát triển này. Công ty tuyên bố rằng phương pháp này giảm số lượng bộ phận xuống 100 lần so với tên lửa truyền thống. Công ty cũng tuyên bố rằng họ có thể sản xuất tên lửa từ nguyên liệu thô trong vòng 60 ngày. Đây là một ví dụ tuyệt vời về việc kết hợp nhiều bộ phận thành một và đơn giản hóa đáng kể chuỗi cung ứng.
Trong ngành nha khoa, sản xuất bồi đắp được sử dụng để làm mão răng, cầu răng, khuôn khoan phẫu thuật, răng giả bán phần và khay niềng răng. Align Technology và SmileDirectClub sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất các bộ phận cho khay niềng răng trong suốt bằng nhựa nhiệt dẻo. Align Technology, nhà sản xuất các sản phẩm mang nhãn hiệu Invisalign, sử dụng nhiều hệ thống quang trùng hợp trong bồn tắm của 3D Systems. Năm 2021, công ty cho biết họ đã điều trị cho hơn 10 triệu bệnh nhân kể từ khi nhận được sự chấp thuận của FDA vào năm 1998. Nếu một liệu trình điều trị thông thường của một bệnh nhân bao gồm 10 khay niềng răng, đây là một ước tính thấp, thì công ty đã sản xuất 100 triệu hoặc nhiều hơn các bộ phận AM. Các bộ phận FRP khó tái chế vì chúng là vật liệu nhiệt rắn. SmileDirectClub sử dụng hệ thống HP Multi Jet Fusion (MJF) để sản xuất các bộ phận nhiệt dẻo có thể tái chế cho các ứng dụng khác.
Theo truyền thống, VPP không thể sản xuất các bộ phận mỏng, trong suốt có đặc tính bền để sử dụng làm thiết bị chỉnh nha. Năm 2021, LuxCreo và Graphy đã công bố một giải pháp khả thi. Tính đến tháng 2, Graphy đã được FDA chấp thuận in 3D trực tiếp các thiết bị nha khoa. Nếu bạn in trực tiếp, quy trình từ đầu đến cuối được coi là ngắn hơn, dễ dàng hơn và có khả năng ít tốn kém hơn.
Một bước phát triển ban đầu nhận được nhiều sự chú ý của giới truyền thông là việc sử dụng công nghệ in 3D cho các ứng dụng xây dựng quy mô lớn như nhà ở. Thường thì các bức tường của ngôi nhà được in bằng phương pháp đùn. Tất cả các bộ phận khác của ngôi nhà đều được làm bằng các phương pháp và vật liệu truyền thống, bao gồm sàn nhà, trần nhà, mái nhà, cầu thang, cửa ra vào, cửa sổ, thiết bị, tủ và mặt bàn. Các bức tường in 3D có thể làm tăng chi phí lắp đặt điện, đèn, hệ thống ống nước, hệ thống ống gió và lỗ thông hơi để sưởi ấm và điều hòa không khí. Hoàn thiện nội thất và ngoại thất của một bức tường bê tông khó hơn so với thiết kế tường truyền thống. Hiện đại hóa ngôi nhà bằng các bức tường in 3D cũng là một cân nhắc quan trọng.
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đang nghiên cứu cách lưu trữ năng lượng trong các bức tường in 3D. Bằng cách lắp các đường ống vào tường trong quá trình xây dựng, nước có thể chảy qua để sưởi ấm và làm mát. Dự án R&D này rất thú vị và sáng tạo, nhưng vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu. Dự án R&D này rất thú vị và sáng tạo, nhưng vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.Dự án nghiên cứu này rất thú vị và sáng tạo, nhưng vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.Dự án nghiên cứu này rất thú vị và sáng tạo, nhưng vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.
Hầu hết chúng ta vẫn chưa quen với nền kinh tế của việc in 3D các bộ phận tòa nhà hoặc các vật thể lớn khác. Công nghệ này đã được sử dụng để sản xuất một số cây cầu, mái hiên, ghế dài công viên và các yếu tố trang trí cho các tòa nhà và môi trường ngoài trời. Người ta tin rằng những lợi thế của sản xuất bồi đắp ở quy mô nhỏ (từ vài cm đến vài mét) được áp dụng cho in 3D quy mô lớn. Những lợi ích chính của việc sử dụng sản xuất bồi đắp bao gồm tạo ra các hình dạng và tính năng phức tạp, giảm số lượng bộ phận, giảm vật liệu và trọng lượng, và tăng năng suất. Nếu AM không tạo ra giá trị, thì tính hữu ích của nó cần phải được đặt câu hỏi.
Vào tháng 10 năm 2021, Stratasys đã mua lại 55% cổ phần còn lại của Xaar 3D, một công ty con của nhà sản xuất máy in phun công nghiệp Anh Xaar. Công nghệ PBF polymer của Stratasys, được gọi là Selective Absorbion Fusion, dựa trên đầu in phun Xaar. Máy Stratasys H350 cạnh tranh với hệ thống HP MJF.
Việc mua Desktop Metal thật ấn tượng. Vào tháng 2 năm 2021, công ty đã mua lại Envisiontec, một nhà sản xuất lâu năm về hệ thống sản xuất phụ gia công nghiệp. Vào tháng 5 năm 2021, công ty đã mua lại Adaptive3D, một nhà phát triển polyme VPP linh hoạt. Vào tháng 7 năm 2021, Desktop Metal đã mua lại Aerosint, một nhà phát triển quy trình phủ lại sơn tĩnh điện đa vật liệu. Vụ mua lại lớn nhất diễn ra vào tháng 8 khi Desktop Metal mua lại đối thủ ExOne với giá 575 triệu đô la.
Việc Desktop Metal mua lại ExOne đã đưa hai nhà sản xuất hệ thống BJT kim loại nổi tiếng lại với nhau. Nhìn chung, công nghệ này vẫn chưa đạt đến mức mà nhiều người tin tưởng. Các công ty vẫn đang tiếp tục giải quyết các vấn đề như khả năng lặp lại, độ tin cậy và hiểu được nguyên nhân gốc rễ của các vấn đề khi chúng phát sinh. Mặc dù vậy, nếu các vấn đề được giải quyết, vẫn còn chỗ cho công nghệ này tiếp cận các thị trường lớn hơn. Vào tháng 7 năm 2021, 3DEO, một nhà cung cấp dịch vụ sử dụng hệ thống in 3D độc quyền, cho biết họ đã giao một phần triệu sản phẩm cho khách hàng.
Các nhà phát triển phần mềm và nền tảng đám mây đã chứng kiến ​​sự tăng trưởng đáng kể trong ngành sản xuất bồi đắp. Điều này đặc biệt đúng đối với các hệ thống quản lý hiệu suất (MES) theo dõi chuỗi giá trị AM. 3D Systems đã đồng ý mua lại Oqton vào tháng 9 năm 2021 với giá 180 triệu đô la. Được thành lập vào năm 2017, Oqton cung cấp các giải pháp dựa trên đám mây để cải thiện quy trình làm việc và nâng cao hiệu quả AM. Materialize đã mua lại Link3D vào tháng 11 năm 2021 với giá 33,5 triệu đô la. Giống như Oqton, nền tảng đám mây của Link3D theo dõi công việc và đơn giản hóa quy trình làm việc AM.
Một trong những thương vụ mua lại mới nhất năm 2021 là việc ASTM International mua lại Wohlers Associates. Họ cùng nhau nỗ lực tận dụng thương hiệu Wohlers để hỗ trợ việc áp dụng AM rộng rãi hơn trên toàn thế giới. Thông qua Trung tâm Xuất sắc AM của ASTM, Wohlers Associates sẽ tiếp tục sản xuất các báo cáo Wohlers và các ấn phẩm khác, cũng như cung cấp các dịch vụ tư vấn, phân tích thị trường và đào tạo.
Ngành sản xuất bồi đắp đã trưởng thành và nhiều ngành công nghiệp đang sử dụng công nghệ này cho nhiều ứng dụng khác nhau. Nhưng in 3D sẽ không thay thế hầu hết các hình thức sản xuất khác. Thay vào đó, nó được sử dụng để tạo ra các loại sản phẩm và mô hình kinh doanh mới. Các tổ chức sử dụng AM để giảm trọng lượng của các bộ phận, giảm thời gian hoàn thành và chi phí công cụ, đồng thời cải thiện tính cá nhân hóa và hiệu suất của sản phẩm. Ngành sản xuất bồi đắp dự kiến ​​sẽ tiếp tục quỹ đạo tăng trưởng của mình với các công ty, sản phẩm, dịch vụ, ứng dụng và trường hợp sử dụng mới nổi lên, thường với tốc độ chóng mặt.