Thép in 3D không gỉ và chịu lực hơn thép thông thường

Dù đang bùng nổ trên thế giới nhưng công nghệ in 3D hiện mới phát huy hiệu quả trên các vật liệu như nhựa hay thép xốp (porous steel) – nghĩa là nhiều vật liệu còn chưa đáp ứng những yêu cầu về kết cấu chịu lực lõi cứng. Mới đây, một nhóm nghiên cứu đã phát triển công nghệ in 3D cho ra các sản phẩm thép không gỉ, vừa cứng lại dẻo – bước tiến có thể mang lại phương thức chế tạo nhanh chóng và rẻ tiền hơn với mọi thứ từ động cơ tên lửa tới các cấu kiện trong lò phản ứng hạt nhân hay dàn khoan dầu khí.

Công nghệ thép không gỉ được phát minh lần đầu vào khoảng 150 năm trước, cho tới nay vẫn còn phổ biến. Được làm từ thép truyền thống nung chảy – thành phần kết hợp giữa sắt với carbon (có thể cho thêm kim loại như Nickel) – thêm vào crom và molypden, thép không gỉ có khả năng chống sự rỉ sét và ăn mòn. Tiếp theo là cả một quy trình phức tạp gồm nhiều bước: làm lạnh, gia nhiệt, cán, giúp cho thép đạt được cấu trúc vi mô với những hạt kim loại hỗn hợp bị nén chặt, và lớp phân cách mỏng giữa các hạt giúp hình thành một cấu trúc khá giống với tế bào. Khi lá thép bị uốn cong hay kéo dãn, những bề mặt tinh thể (gồm các nguyên tử) bị trượt, cắt vào nhau, dẫn tới sự thiếu hụt khi các lớp này cùng kết hợp – gây ra hiện tượng đứt gãy. Tuy nhiên, việc tạo ra những lớp phân cách dày có thể "chấm dứt" tình trạng này, giúp thép trở nên cứng hơn rất nhiều nhưng vẫn đủ dẻo để uốn thành các hình dạng như mong muốn.

Trong một số điều kiện nhất định, thép không gỉ từ in 3D có thể cứng gấp ba lần so với thép sản xuất thông thường.

Từ lâu, các nhà nghiên cứu đã cố gắng đi tìm cách tái tạo một cấu trúc như vậy. Họ bắt đầu thử nghiệm bằng việc đổ một lớp dạng bột – gồm những phân tử kim loại hỗn hợp – lên một mặt phẳng. Một chùm tia laser năng lượng cao, điều khiển bằng máy tính, chiếu đi chiếu lại trên bề mặt. Những phân tử kim loại khi tiếp xúc với laser sẽ trở nên nóng chảy. Sau đó, một lớp bột mới lại được thêm vào, tiếp tục xử lý bằng tia laser để làm tan chảy các phân tử rồi gắn kết với lớp bên dưới. Lặp đi lặp lại như vậy, các kỹ sư có thể tạo ra những kết cấu phức tạp như trong động cơ tên lửa.

Một vấn đề tồn tại từ lâu với thép không gỉ từ công nghệ in đó là tỷ lệ rỗng còn cao, khiến thép trở nên yếu và dễ đứt gãy. Vì vậy, "kết quả này thật đáng kinh ngạc", Yinmin Morris Wang – nhà khoa học vật liệu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở California, người lãnh đạo nhóm nghiên cứu nói. Vài năm trước, Wang và các đồng nghiệp đã đi theo hướng sử dụng tia laser và kỹ thuật làm lạnh nhanh khi làm tan chảy những phân tử kim loại hỗn hợp trong cùng một khu vực mật độ, để tạo nên cấu trúc nén chặt.

Tới nay, khả năng chế tạo loại thép này đã được mở rộng hơn rất nhiều khi nhóm của của Wang đã thiết kế một tiến trình điều khiển bằng máy tính, không những để làm ra những lớp thép không gỉ dày mà còn để kiểm soát chặt cấu trúc vật liệu ở mức độ nano tới micro mét. Thành tựu này cho phép máy in 3D có thể xây dựng những cấu trúc giống tế bào cực nhỏ, có chức năng giống như bức tường ngăn ngừa sự đứt gãy và những vấn đề phổ biến hay gặp ở thép. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy, trong một số điều kiện nhất định, thép không gỉ từ in 3D có thể cứng gấp ba lần so với thép sản xuất bằng những phương pháp thông thường, và vẫn “dễ uốn” – báo cáo công bố trên tạp chí Nature Materials.

"Những gì họ làm thực sự rất ấn tượng", Rahul Panat – kỹ sư cơ khí tại Đại học Carnegie ở Pittsburgh (Pennsylvania) nhận xét. Hơn thế nữa, Panat tin rằng vì Wang và các đồng nghiệp sử dụng công nghệ in 3D thương mại mới và tia laser, nên nhiều nhóm khác có thể học hỏi để chế tạo hàng loạt những sản phẩm từ thép không gỉ như thùng chứa nhiên liệu trên máy bay tới các ống chịu lực trong nhà máy điện hạt nhân.

• Tìm hiểu về công nghệ in 3D