Phương pháp in 4 chiều (4D) với vật liệu composite của TS. Hoa Văn Sương (Đại học Concordia, Canada) không chỉ giúp tiết kiệm chi phí sản xuất mà còn có thể tạo ra các cánh máy bay uốn cong được đến 20 độ.
Nếu như công nghệ in 3D - kỹ thuật bồi đắp các vật liệu theo từng lớp để tạo ra vật thể (như ngôi nhà, cây cầu) dưới sự điều khiển của máy tính - đã từng khiến nhiều người trầm trồ, thì những tiến bộ trong kỹ thuật in 4D mới được TS. Hoa Văn Sương công bố trên tạp chí
Composite Structures còn hứa hẹn góp phần mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng đặc biệt hơn nữa trong tương lai.
Tận dụng tính chất tự nhiên
Xuất hiện từ những năm 2014, in 4D là một phương pháp tương tự như in 3D. Song điểm khác biệt nằm ở chỗ công nghệ này giúp cho vật liệu không ở trạng thái “tĩnh” mà có thể thay đổi cấu trúc, di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác tùy theo điều kiện kích thích của môi trường (như nước, nhiệt độ) để tạo nên hình dạng mới cho sản phẩm. Quá trình in ban đầu được thực hiện trên một bề mặt phẳng, sau đó sản phẩm sẽ được tiếp xúc với tác nhân kích thích để tạo ra phản ứng và thay đổi hình dạng bề mặt. Nhờ kỹ thuật này, các vật thể phức tạp có thể được “in” ra dễ dàng và nhanh chóng hơn nhiều so với những phương pháp xây dựng truyền thống.
TS. Hoa Văn Sương và đồng nghiệp. Ảnh: Đại họcConcordia.
Dù cho đến nay đã có không ít nghiên cứu về phương pháp in 4D, tuy nhiên, hầu hết các công trình này đều chỉ sử dụng vật liệu để in là plastic. “Đây là loại vật liệu mỏng, dễ in và có thể tạo ra nhiều hình thù đa dạng”, TS. Hoa Văn Sương cho biết, “nhưng cũng chính vì vậy mà chúng khá mềm yếu và có độ bền thấp, khó có thể dùng để tạo ra những sản phẩm đòi hỏi khả năng chịu sức nặng cao - chẳng hạn như cánh máy bay”.
Hạn chế này khiến cho sáu năm trước, TS. Sương nảy ra ý tưởng: nếu sử dụng vật liệu tổng hợp composite - loại vật liệu thường được dùng để chế tạo máy bay, ô tô - vào công nghệ in 4D thì sao? “Khác với các vật liệu mềm như bột thường được dùng trong in 3D và 4D truyền thống, composite là vật liệu cứng và chắc hơn. Về bản chất, composite gồm hai phần: một là các sợi có kích cỡ bằng 1/10 sợi tóc người, và hai là các chất keo để kết dính”, TS. Sương - một trong những người tiên phong nghiên cứu về kỹ thuật in 4D với vật liệu composite - cho biết.
Và nếu hiểu sâu hơn nữa về sự khác biệt của mỗi loại vật liệu, sẽ không khó để thấy rằng phương pháp của TS. Sương thực tế là một ý tưởng “táo bạo” so với các phương pháp in 4D trước đó. Lý do là bởi, “composite là vật liệu có tính chất dị hướng (anisotropy), nghĩa là ở mỗi chiều khác nhau thì vật liệu lại có thuộc tính khác nhau. Do đó nhiều kỹ sư thiết kế không thích dùng chất này vì việc tính toán phức tạp hơn rất nhiều so với các vật liệu có tính chất đẳng hướng (isotropy) như nhôm, thép - nghĩa là xoay chiều nào cũng có cùng tính chất”, TS. Sương giải thích.
Song, dưới con mắt của một người đã có vài chục năm “lăn lộn” với vật liệu composite, ông lại nhìn thuộc tính tự nhiên của vật liệu này theo một cách khác: có thể tính chất dị hướng lại là một đặc tính rất phù hợp để dùng trong in 4D chứ không phải là một nhược điểm cần xử lý. “Do composite có tính chất khác nhau phụ thuộc vào chiều của vật liệu, nên dưới tác động của mỗi tác nhân kích thích, các chiều vật liệu này sẽ có sự giãn nở khác nhau - rất phù hợp với yêu cầu biến một vật liệu từ hình dạng này sang hình dạng khác của công nghệ in 4D”, TS. Sương giải thích.
Tuy nhiên, không thể cứ thế mà tận dụng được ngay đặc tính tự nhiên ấy. Một trong những điểm khó khi đưa một vật liệu mới vào phương pháp in 4D là làm sao tính toán chính xác để sản phẩm sau khi in ra dưới dạng mặt phẳng có thể biến đổi thành đúng hình dạng mong muốn. “Mặc dù trong ngành composite đã có những lý thuyết để xác định độ cong của vật liệu, tuy nhiên việc sử dụng độ cong ấy để định hình hình dáng của sản phẩm sau khi gặp tác nhân kích thích thì lại đòi hỏi phải tuân theo một quy trình đặc biệt để dàn xếp các lớp vật liệu ấy”, TS. Sương cho biết.
Nhờ am hiểu sâu sắc các ưu, nhược điểm của composite qua hàng chục năm nghiên cứu, ông và đồng nghiệp đã lựa chọn được một quy trình thích hợp sau nhiều lần thử nghiệm. Cụ thể trong nghiên cứu với cánh máy bay: máy in tổng hợp 4D sẽ cuộn hỗn hợp nhựa sợi của nó thành các lớp siêu mỏng ở các góc 90 độ so với nhau. Sau đó, các lớp này được nén chặt lại và đóng rắn trong lò ở 180°C, rồi tiếp tục được làm nguội xuống 20°C để tạo ra một vật thể cứng nhưng không giòn. “Cách làm này giúp chúng tôi tạo ra một bộ phận có độ cong đồng nhất để nối bề mặt phía trên và phía dưới của cánh máy bay”, TS. Sương cho biết.
Cánh máy bay được in bằng công nghệ 4D với composite. Ảnh: Nhóm nghiên cứu
Theo đó, cánh máy bay do nhóm của TS. Sương in bằng composite có đủ độ linh hoạt và chắc chắn để chịu được sự biến dạng khoảng 20 độ. Đồng thời, bộ phận này cũng chịu được áp suất khoảng hơn 50 lbs/ft2(tương đương với khoảng 244 kg/m2). Sau khi được in ra dưới hình dạng phẳng, vật liệu này sẽ có thể biến đổi để cong theo hình thù mong muốn với sai số khoảng 10% tùy theo điều kiện kích thích của môi trường.
Tiềm năng ứng dụng đa dạng
Với những đặc điểm như vậy, “phương pháp in 4D với composite sẽ có thể tạo ra được những chiếc cánh máy bay dễ dàng thay đổi hình dạng trong quá trình bay - một lợi ích lớn so với những máy bay có cánh cố định”, TS. Sương cho biết. Dù chưa thể chịu được sức nặng của những chiếc máy bay dân dụng, cánh máy bay này vẫn rất phù hợp cho những chiếc drone (máy bay không người lái) nhỏ gọn và cần độ linh hoạt cao - loại thiết bị đang ngày càng phát triển nở rộ trong lĩnh vực hàng không.
Nhưng không chỉ dừng lại ở đó, TS. Sương tin rằng công nghệ in 4D với vật liệu composite còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, chẳng hạn, như giúp cho việc vận chuyển đồ đạc đi xa thuận tiện hơn. Do hình dạng ban đầu của sản phẩm sau khi in rất phẳng, chúng có thể dễ dàng được đóng gói và gửi đến những nơi xa xôi hoặc gửi ra ngoài không gian mà không cần nhiều diện tích. “Chẳng hạn, để xây một căn nhà ngoài vũ trụ, chúng ta chỉ cần in một sản phẩm dưới dạng mặt phẳng rồi gửi đi. Khi tới nơi, chỉ làm nguội sản phẩm là miếng phẳng ấy sẽ biến thành một chiếc hộp để có thể ở được”, TS. Sương mường tượng những ứng dụng của phương pháp in 4D với composite trong tương lai.
TS. Hoa Văn Sương giới thiệu về cánh máy bay.
Thêm vào đó, hiện nay, vật liệu composite mà nhóm sử dụng gồm hai thành phần là sợi carbon và chất epoxy - hai thành phần phổ biến để làm vật liệu composite. Tuy nhiên, theo TS. Sương, không nhất thiết cần phải sử dụng hai chất này mà có thể thay thế bằng các chất khác cũng có tính chất dị hướng, ví dụ như sợi thủy tinh thay cho sợi carbon để in với phương pháp 4D. “Tất nhiên điều này sẽ đòi hỏi phải có thêm các nghiên cứu để hiểu về tính chất vật liệu và tạo ra một cấu trúc tốt, song về cơ bản mình có thể dùng phương pháp này với các vật liệu khác có cùng tính chất”, TS. Sương nói.
Và do sản phẩm chỉ cần in dưới dạng mặt phẳng rồi sau đó mới tự thay hình đổi dạng để có một hình hài mới, phương pháp in này không đòi hỏi phải sản xuất các khuôn in phức tạp - một bước tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc. Hiện nay, ngoài cánh máy bay, nhóm của TS. Sương đã thử sử dụng phương pháp để in lò xo cho ô tô hay một số thử nghiệm vốn đòi hỏi có sự căn chỉnh độ cong tỉ mỉ. “Chúng tôi cũng đang tiến hành nghiên cứu để tinh chỉnh các phân tích, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cấu trúc”, TS. Sương cho biết.