Công nghệ sản xuất bồi đắp, hay còn gọi là in 3D, đã tiếp tục phát triển trong gần 35 năm kể từ khi được sử dụng thương mại. Các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô, quốc phòng, năng lượng, vận tải, y tế, nha khoa và hàng tiêu dùng đều sử dụng công nghệ sản xuất bồi đắp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Với sự phổ biến rộng rãi như vậy, rõ ràng là công nghệ 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. Chúng bao gồm đùn vật liệu (MEX), quang trùng hợp trong bể (VPP), nung chảy bột (PBF), phun chất kết dính (BJT), phun vật liệu (MJT), lắng đọng năng lượng định hướng (DED) và cán màng (SHL). Ở đây, chúng được sắp xếp theo mức độ phổ biến dựa trên doanh số bán hàng theo đơn vị.
Ngày càng nhiều chuyên gia trong ngành, bao gồm cả kỹ sư và nhà quản lý, đang tìm hiểu khi nào công nghệ sản xuất bồi đắp (additive manufacturing) có thể giúp cải thiện sản phẩm hoặc quy trình và khi nào thì không. Trong quá khứ, các sáng kiến ​​lớn để triển khai sản xuất bồi đắp thường xuất phát từ các kỹ sư có kinh nghiệm với công nghệ này. Giờ đây, ban quản lý nhận thấy nhiều ví dụ hơn về cách sản xuất bồi đắp có thể cải thiện năng suất, giảm thời gian sản xuất và tạo ra các cơ hội kinh doanh mới. Công nghệ sản xuất bồi đắp sẽ không thay thế hầu hết các hình thức sản xuất truyền thống, mà sẽ trở thành một phần trong kho vũ khí của các nhà khởi nghiệp về khả năng phát triển sản phẩm và sản xuất.
Sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing - AM) có phạm vi ứng dụng rộng rãi, từ vi lưu chất đến xây dựng quy mô lớn. Lợi ích của AM khác nhau tùy thuộc vào ngành công nghiệp, 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. Những lý do phổ biến nhất là mô hình hóa ý tưởng, kiểm chứng thiết kế, và kiểm chứng tính phù hợp và chức năng. Ngày càng 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 theo yêu cầu.
Đối với các ứng dụng hàng không vũ trụ, trọng lượng là một yếu tố quan trọng. Theo Trung tâm Không gian Marshall của NASA, việc đưa một tải trọng 0,45 kg vào quỹ đạo Trái đất có giá khoảng 10.000 đô la. Giảm trọng lượng vệ tinh có thể tiết kiệm chi phí phóng. Hình ảnh đính kèm cho thấy một bộ phận kim loại được sản xuất bằng công nghệ in 3D (AM) của Swissto12, kết hợp nhiều ống dẫn sóng thành một bộ phận duy nhất. Với công nghệ AM, trọng lượng được giảm xuống dưới 0,08 kg.
Sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing - AM) được sử dụng rộng rãi trong toàn bộ chuỗi giá trị của ngành năng lượng. Đối với một số công ty, lý do kinh doanh để sử dụng AM là để nhanh chóng cải tiến các dự án nhằm 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 do mất năng suất mỗi giờ. Việc sử dụng AM để khôi phục hoạt động có thể đặc biệt hấp dẫn.
MX3D, một nhà sản xuất lớn các hệ thống DED (Deep Destruction Eding), đã cho ra mắt nguyên mẫu dụng cụ sửa chữa đường ống. Theo công ty này, việc sửa chữa một đường ống bị hư hỏng có thể tốn từ 100.000 đến 1.000.000 euro (113.157 đến 1.131.570 đô la) mỗi ngày. Dụng cụ được thể hiện ở trang tiếp theo sử dụng một chi tiết được gia công CNC làm khung và sử dụng công nghệ DED để hàn chu vi của đường ống. Công nghệ in 3D (AM) cung cấp tốc độ lắng đọng cao với lượng chất thải tối thiểu, trong khi CNC đảm bảo độ chính xác cần thiết.
Vào năm 2021, một ống dẫn nước in 3D đã được lắp đặt trên giàn khoan dầu của TotalEnergies ở Biển Bắc. Ống dẫn nước là một yếu tố quan trọng được sử dụng để kiểm soát việc thu hồi hydrocarbon trong các giếng đang xây dựng. Trong trường hợp này, lợi ích của việc sử dụng công nghệ sản xuất bồi đắp là giảm thời gian sản xuất và giảm lượng khí thải tới 45% so với các ống dẫn nước truyền thống được chế tạo bằng phương pháp rèn.
Một lợi ích kinh doanh khác của công nghệ sản xuất bồi đắp là giảm chi phí dụng cụ đắt đỏ. Phone Scope đã phát triển các bộ chuyển đổi chụp ảnh kỹ thuật số cho các thiết bị kết nối camera điện thoại với kính thiên văn hoặc kính hiển vi. Mỗi năm đều có điện thoại mới ra mắt, đòi hỏi các công ty phải tung ra dòng bộ chuyển đổi mới. Bằng cách sử dụng công nghệ sản xuất bồi đắp, một công ty có thể tiết kiệm tiền cho các dụng cụ đắt tiền cần phải thay thế mỗi khi có điện thoại mới ra mắt.
Cũng như bất kỳ quy trình hoặc công nghệ nào khác, sản xuất bồi đắp không nên được sử dụng chỉ vì nó được coi là mới hoặc khác biệt. Mục đích là để cải thiện quá trình phát triển sản phẩm và/hoặc sản xuất. Nó phải tạo ra giá trị gia tăng. Các ví dụ về trường hợp kinh doanh khác bao gồm sản phẩm tùy chỉnh và sản xuất hàng loạt theo yêu cầu, chức năng phức tạp, các bộ phận tích hợp, giảm vật liệu và trọng lượng, và cải thiện hiệu suất.
Để công nghệ in 3D (AM) phát huy hết tiềm năng tăng trưởng, 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 tự động hóa tiếp theo như loại bỏ vật liệu khỏi các bộ phận và giá đỡ, cùng với quá trình xử lý sau đó sẽ giúp ích. Tự động hóa cũng làm tăng năng suất và giảm chi phí trên mỗi bộ phận.
Một trong những lĩnh vực được quan tâm nhất là tự động hóa xử lý sau gia công, chẳng hạn như loại bỏ bột và hoàn thiện bề mặt. 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 thuộc vào loại chi tiết, kích thước, vật liệu và quy trình. Ví dụ, quá trình xử lý sau gia công 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 chi tiết được tối ưu hóa cho công nghệ in 3D (AM), nên thường bổ sung thêm các tính năng tiên tiến và các kênh dẫn bên trong. Đối với công nghệ in phun bột (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 gọi là Smart Powder Recovery (SRP) giúp xoay và rung các chi tiết kim loại vẫn còn gắn trên bàn in. Việc xoay và rung được điều khiển bởi mô hình CAD của chi tiết. Bằng cách di chuyển và lắc các chi tiết một cách chính xác, bột được thu gom sẽ chảy gần như dạng lỏng. Quá trình tự động hóa này giúp giảm thiểu lao động thủ công và có thể cải thiện độ tin cậy và khả năng tái tạo của việc loại bỏ bột.
Những vấn đề và hạn chế của việc loại bỏ bột kim loại thủ công có thể hạn chế tính khả thi của việc sử dụng công nghệ in 3D kim loại (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 khí trơ và thu gom bột chưa sử dụng để tái sử dụng trong các máy in 3D kim loại. Solukon đã tiến hành khảo sát khách hàng và công bố một nghiên cứu vào tháng 12 năm 2021 cho thấy hai mối quan ngại lớn nhất là sức khỏe nghề nghiệp và khả năng tái sản xuất.
Việc loại bỏ bột thủ công khỏi 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 hậu kỳ để tự động loại bỏ bột. Nhiều bộ phận được sản xuất bằng công nghệ in 3D có thể được đưa vào hệ thống đảo ngược và đẩy vật liệu 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 này 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 gia công. DyeMansion cung cấp các hệ thống loại bỏ bột, chuẩn bị bề mặt và sơn. Hệ thống PowerFuse S nạp các chi tiết, hấp hơi các chi tiết đã được làm nhẵn và dỡ chúng ra. Công ty cung cấp giá đỡ bằng thép không gỉ để treo các chi tiết, việc này được thực hiện bằng tay. Hệ thống PowerFuse S có thể tạo ra bề mặt tương tự như khuôn ép phun.
Thách thức lớn nhất mà ngành công nghiệp này đang phải đối mặt là hiểu được những cơ hội thực sự mà tự động hóa mang lại. Nếu cần sản xuất một triệu chi tiết polymer, các quy trình đúc hoặc tạo khuôn truyền thống có thể là giải pháp tốt nhất, mặc dù điều này còn tùy thuộc vào từng chi tiết cụ thể. Công nghệ in 3D thường được ứng dụng trong đợt sản xuất đầu tiên, từ khâu chế tạo khuôn mẫu đến thử nghiệm. Thông qua quá trình xử lý hậu kỳ tự động, hàng nghìn chi tiết có thể được sản xuất một cách đáng tin cậy và có thể tái tạo được bằng công nghệ in 3D, nhưng điều này phụ thuộc vào từng chi tiết và có thể cần một giải pháp tùy chỉnh.
Công nghệ sản xuất bồi đắp (AM) không chỉ giới hạn trong ngành công nghiệp. Nhiều tổ chức trình bày những kết quả nghiên cứu và phát triển thú vị, có thể dẫn đến việc vận hành hiệu quả các sản phẩm và dịch vụ. Trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, Relativity Space sản xuất một trong những hệ thống sản xuất bồi đắp kim loại lớn nhất bằng công nghệ DED độc quyền, mà công ty hy vọng sẽ được sử dụng để sản xuất phần lớn tên lửa của mình. Tên lửa Terran 1 của họ có thể đưa tải trọng 1.250 kg lên quỹ đạo Trái đất tầm thấp. Relativity dự định phóng thử nghiệm một tên lửa vào giữa năm 2022 và đang lên kế hoạch cho một tên lửa lớn hơn, có thể tái sử dụng được gọi là Terran R.
Tên lửa Terran 1 và R của Relativity Space là một cách tiếp cận đột phá để định hình lại tương lai của du hành vũ trụ. Thiết kế và tối ưu hóa cho công nghệ sản xuất bồi đắp đã khơi dậy sự quan tâm trong 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 khẳng định 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, công nghệ sản xuất bồi đắp (additive manufacturing - AM) được sử dụng để chế tạo mão răng, cầu răng, khuôn khoan phẫu thuật, răng giả tháo lắp và khay chỉnh nha. Align Technology và SmileDirectClub sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất các bộ phận cho khay chỉnh nha bằng nhựa trong suốt được tạo hình bằng nhiệt. Align Technology, nhà sản xuất các sản phẩm mang thương hiệu Invisalign, sử dụng nhiều hệ thống quang trùng hợp trong bể 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 điển hình của bệnh nhân bao gồm 10 khay chỉnh nha, đây là ước tính thấp, thì công ty đã sản xuất hơn 100 triệu bộ phận AM. Các bộ phận FRP rất 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 nhựa nhiệt dẻo có thể được tái chế cho các ứng dụng khác.
Trước đây, công nghệ VPP chưa thể sản xuất các bộ phận mỏng, trong suốt với độ bền cao để sử dụng làm dụng cụ chỉnh nha. Năm 2021, LuxCreo và Graphy đã đưa ra một giải pháp khả thi. Tính đến tháng 2, Graphy đã được FDA phê duyệt cho việc in 3D trực tiếp các dụng cụ nha khoa. Nếu in trực tiếp, quy trình từ đầu đến cuối được coi là ngắn hơn, dễ dàng hơn và có khả năng tiết kiệm chi phí hơn.
Một bước phát triển ban đầu thu hút 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 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 gia dụng, tủ bếp và mặt bàn. Tường in 3D có thể làm tăng chi phí lắp đặt điện, chiếu sáng, hệ thống ống nước, đường ống thông gió và lỗ thông hơi cho hệ thống sưởi và điều hòa không khí. Việc hoàn thiện nội thất và ngoại thất của một bức tường bê tông khó khăn hơn so với thiết kế tường truyền thống. Hiện đại hóa một ngôi nhà với tường in 3D cũng là một vấn đề cần cân nhắc.
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đang nghiên cứu cách lưu trữ năng lượng trong các bức tường được in 3D. Bằng cách lắp đặt các đường ống vào tường trong quá trình xây dựng, nước có thể chảy qua đó để sưởi ấm và làm mát. Dự án nghiên cứu và phát triển này rất thú vị và mang tính đột phá, nhưng hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu. Dự án nghiên cứu và phát triển này rất thú vị và mang tính đột phá, nhưng hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.Dự án nghiên cứu này rất thú vị và mang tính đột phá, nhưng hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.Dự án nghiên cứu này thú vị và mang tính đột phá, nhưng vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.
Hầu hết chúng ta vẫn chưa quen thuộc với khía cạnh kinh tế của việc in 3D các bộ phận xây dựng hoặc các vật thể lớn khác. Công nghệ này đã được sử dụng để sản xuất một số cây cầu, mái hiên, ghế công viên và các yếu tố trang trí cho các tòa nhà và môi trường ngoài trời. Người ta tin rằng những ưu điểm của sản xuất bồi đắp ở quy mô nhỏ (từ vài centimet đến vài mét) cũng có thể áp dụng cho việc 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 chi tiết phức tạp, giảm số lượng bộ phận, giảm vật liệu và trọng lượng, và tăng năng suất. Nếu sản xuất bồi đắp không tạo ra giá trị gia tăng, thì tính hữu ích của nó cần được xem xét lại.
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 Xaar của Anh. Công nghệ polymer PBF của Stratasys, được gọi là Selective Absorbion Fusion, dựa trên đầu in phun của Xaar. Máy Stratasys H350 cạnh tranh với hệ thống HP MJF.
Việc mua lại Desktop Metal là một thương vụ ấn tượng. Vào tháng 2 năm 2021, công ty đã mua lại Envisiontec, một nhà sản xuất lâu năm các hệ thống sản xuất bồi đắp công nghiệp. Vào tháng 5 năm 2021, công ty đã mua lại Adaptive3D, một nhà phát triển các polyme VPP linh hoạt. Vào tháng 7 năm 2021, Desktop Metal đã mua lại Aerosint, một nhà phát triển các quy trình phủ lại lớp sơn bột đa vật liệu. Thương vụ mua lại lớn nhất diễn ra vào tháng 8 khi Desktop Metal mua lại đối thủ cạnh tranh ExOne với giá 575 triệu đô la.
Việc Desktop Metal mua lại ExOne đã kết hợp hai nhà sản xuất hệ thống transistor lưỡng cực kim loại (BJT) nổi tiếng. Nhìn chung, công nghệ này vẫn chưa đạt đến mức độ mà nhiều người kỳ vọng. Các công ty vẫn đang tiếp tục giải quyết các vấn đề như tính lặp lại, độ tin cậy và việc hiểu rõ nguyên nhân gốc rễ của các sự cố phát sinh. Tuy nhiên, nếu các vấn đề được giải quyết, công nghệ này vẫn có tiềm năng vươn tới 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 sản phẩm thứ một triệu cho khách hàng.
Các nhà phát triển phần mềm và nền tảng đám mây đã chứng kiến ​​sự tăng trưởng đáng kể trong ngành công nghiệp sản xuất bồi đắp (AM). 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 trong năm 2021 là việc ASTM International mua lại Wohlers Associates. Cả hai đang cùng nhau nỗ lực tận dụng thương hiệu Wohlers để hỗ trợ việc ứng dụng rộng rãi công nghệ in 3D (AM) trên toàn thế giới. Thông qua Trung tâm Xuất sắc về AM của ASTM, Wohlers Associates sẽ tiếp tục sản xuất các báo cáo và ấn phẩm khác của Wohlers, cũng như cung cấp các dịch vụ tư vấn, phân tích thị trường và đào tạo.
Ngành công nghiệp sản xuất bồi đắp đã trưởng thành và nhiều ngành đang sử dụng công nghệ này cho nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, 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 sản xuất và chi phí dụng cụ, đồng thời cải thiện khả năng cá nhân hóa và hiệu suất sản phẩm. Ngành công nghiệp sản xuất bồi đắp dự kiến ​​sẽ tiếp tục đà tăng trưởng với sự xuất hiện của các công ty, sản phẩm, dịch vụ, ứng dụng và trường hợp sử dụng mới, thường với tốc độ chóng mặt.