Loại bỏ support và làm sạch chi tiết in 3D kim loại: Phương pháp kỹ thuật từ loại bỏ bột đến độ sạch kênh dẫn trong

Mở đầu: Cửa ải chất lượng “độ sạch” thường bị xem nhẹ

Trong bàn giao chi tiết in 3D kim loại bằng SLM/LPBF, người ta thường tập trung vào công suất laser, tốc độ quét, chiều dày lớp và các “tham số in”, nhưng lại hay bỏ qua một thực tế: khoảnh khắc chi tiết được lấy ra khỏi buồng tạo hình, nó mới chỉ là bán thành phẩm. Trên bề mặt vẫn còn dính kết cấu support, bên trong và trong các kênh dẫn vẫn còn bột kim loại chưa nóng chảy, bề mặt còn có các hạt thiêu kết bám dính. Yếu tố thực sự quyết định chi tiết có thể lắp lên máy và sử dụng hay không thường không phải bản thân quá trình in, mà là công đoạn loại bỏ support và làm sạch ngay sau đó. Trong ngành, chuỗi công đoạn này được gọi là “kiểm soát độ sạch”. Nó không tạo ra hiệu ứng bắt mắt có thể nhìn thấy ngay, nhưng lại liên quan trực tiếp đến kẹt lắp ráp, tỷ lệ rò chân không, tuổi thọ mỏi, cũng như tính tuân thủ khi xuất xưởng của chi tiết y tế và hàng không vũ trụ.

1. Vì sao loại bỏ support và làm sạch là cửa ải chất lượng vô hình của in 3D kim loại

Công nghệ nóng chảy lớp bột kim loại dựa vào kết cấu support để dẫn nhiệt và chống cong vênh biến dạng, vì vậy giữa support và chi tiết chắc chắn tồn tại các điểm tiếp xúc. Sau khi in xong, các support này phải được tách bỏ hoàn toàn mà không làm hư hại bề mặt thân chi tiết. Đồng thời, bột chưa nóng chảy quanh vùng hồ nóng chảy laser sẽ bám trên bề mặt chi tiết, đặc biệt trong các hình học bên trong như kênh làm mát conformal, cấu trúc lattice, khoang thành mỏng. Nếu bột còn sót lại bên trong, nó có thể gây tắc kênh dẫn, làm nhiễm bẩn môi chất, thậm chí trở thành hạt mài trong quá trình lắp ráp và ma sát.

Lấy khuôn có kênh làm mát conformal làm ví dụ, đường kính kênh nước làm mát bên trong thường chỉ 3–8 mm. Nếu bột kim loại còn sót không được loại bỏ, hiệu suất làm mát trong sản xuất ép nhựa sẽ giảm đáng kể và các hạt có thể bị cuốn vào sản phẩm. Một ví dụ khác là chi tiết thiết bị y tế: hạt tồn dư trên bề mặt và trong khoang phải đáp ứng cấp độ sạch nghiêm ngặt, chẳng hạn yêu cầu đếm hạt theo ISO 16232, nếu không sẽ không vượt qua được đánh giá tương thích sinh học và kiểm duyệt xuất xưởng. Do đó, loại bỏ support và làm sạch không phải là “xử lý ngoại quan tùy chọn”, mà là công đoạn kỹ thuật ảnh hưởng đến chức năng, độ tin cậy và tính tuân thủ.

2. Loại bỏ support: Lựa chọn phương pháp từ tách cơ học đến phân ly chính xác

Phương pháp loại bỏ support cần được lựa chọn theo cấp độ dựa trên loại support, vật liệu chi tiết và yêu cầu độ chính xác.

(1) Loại bỏ thủ công và bằng kìm cắt. Phù hợp với chi tiết vừa và nhỏ có support tương đối mềm, ít điểm tiếp xúc. Điểm then chốt nằm ở thiết kế điểm tiếp xúc: thường làm tiết diện tiếp xúc giữa support và chi tiết nhỏ hơn thân support, tức thiết kế “cổ gãy”, với đường kính tiếp xúc khoảng 0,2–0,5 mm, để khi tách, ứng suất tập trung tại điểm tiếp xúc thay vì thân chi tiết, sau khi loại bỏ chỉ còn lại gờ lồi rất nhỏ.

(2) Loại bỏ bằng gia công cơ và phay. Với vật liệu độ cứng cao như Inconel 718, hợp kim titan, hoặc support dạng khối diện tích lớn, dùng phay CNC để loại bỏ phần gốc sẽ hiệu quả hơn và kiểm soát được độ phẳng bề mặt còn lại.

(3) Cắt dây và gia công tia lửa điện EDM. Khi support nằm ở vị trí không thể tiếp cận bằng cơ khí và chi tiết không chịu được lực cắt, cắt dây tốc độ chậm hoặc EDM có thể thực hiện “tách không tiếp xúc”. Tuy nhiên cần lưu ý EDM sẽ tạo lớp tái đông đặc, sau khi loại bỏ cần bổ sung khử ứng suất và xử lý bề mặt.

(4) Laser và tinh chỉnh nguội. Với các bề mặt lắp ghép yêu cầu cao, bước cuối có thể dùng giũa mịn, đá dầu hoặc chỉnh sửa vi mô bằng laser tại chân điểm tiếp xúc, mài phần lồi còn lại ngang bằng với mặt chuẩn, bảo đảm Ra và độ phẳng của bề mặt lắp ráp.

Dù dùng phương pháp nào, sau khi loại bỏ support đều cần kiểm tra lại kích thước và độ nhám của các bề mặt lắp ghép quan trọng. Độ nhám tại bề mặt tiếp xúc support thường cao hơn bề mặt tạo hình 2–4 lần; nếu nằm trong vùng làm kín hoặc lắp trượt, phải đưa vào kế hoạch gia công tinh ở công đoạn sau.

3. Loại bỏ bột: Kiểm soát tồn dư trong kênh dẫn trong và khoang phức tạp

Loại bỏ bột là khó khăn cốt lõi của kiểm soát độ sạch và phải được thực hiện càng sớm càng tốt sau khi mở buồng, trước khi chi tiết hút ẩm. Các phương pháp thường dùng gồm:

(1) Hút bụi và rung để làm sạch bột. Đặt chi tiết tại trạm hút áp suất âm, kết hợp rung khí nén hoặc rung siêu âm để bột rời trong khoang tự chảy ra khỏi miệng mở. Với khoang kín, cần chừa sẵn lỗ làm sạch bột, khuyến nghị đường kính ≥2 mm, nếu không bột bên trong sẽ không thể được loại bỏ.

(2) Thổi bằng khí nén và khí trơ. Dùng khí nén khô hoặc nitơ/argon ở 0,3–0,5 MPa để thổi rửa kênh dẫn trong; hướng dòng khí nên trùng với hướng kênh. Với bột hoạt tính dễ cháy như hợp kim titan, hợp kim nhôm-magiê, phải thao tác trong môi trường chống nổ và khí trơ để tránh nguy cơ đám mây bụi bắt lửa.

(3) Rửa thông kênh chuyên dụng. Với các kênh thông suốt như kênh làm mát conformal, có thể dùng nước áp lực cao hoặc bàn rửa kênh chuyên dụng để rửa tuần hoàn nhiều lần cho đến khi đầu ra không còn hạt nhìn thấy được, đồng thời xác nhận kênh thông suốt bằng kiểm tra lưu lượng - tổn thất áp suất.

Cần nhấn mạnh rằng loại bỏ bột không triệt để là nguồn gốc của nhiều “khuyết tật phát sinh sau”. Bột tồn dư sẽ bị thiêu kết trong quá trình nhiệt luyện tiếp theo, tạo thành cục cứng khó loại bỏ; nếu còn trong bánh răng hoặc cặp trượt, chúng sẽ trở thành hạt mài, làm tăng tốc độ mài mòn.

4. Quy trình làm sạch: Từ siêu âm đến rửa dung môi nhiều cấp

Sau khi loại bỏ support và bột, bề mặt chi tiết vẫn còn hạt thiêu kết bám dính, dầu bẩn, dấu vân tay và phoi, cần một quy trình làm sạch có hệ thống. Trong kỹ thuật thường dùng quy trình rửa nhiều cấp:

Rửa siêu âm: Tần số 25–40 kHz, nhiệt độ 40–60°C, thời gian 5–15 phút. Tần số thấp phù hợp hơn để loại bỏ hạt lớn, tần số cao có lợi hơn cho các khe hở nhỏ. Dung dịch rửa thường là nước khử ion pha chất tẩy rửa trung tính; với kim loại hoạt tính, cần tránh dung môi chứa clo để ngăn ăn mòn rỗ và ăn mòn ứng suất do ion clo gây ra.

Tráng rửa và thụ động hóa: Sau khi rửa, tráng nhiều cấp bằng nước khử ion.