Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp cho phép các mô hình thiết kế tính đến những hạn chế của công nghệ in 3D, nhờ đó vật liệu tạo ra có hiệu suất gần hơn rất nhiều so với dự định ban đầu.

Mọi người đang ngày càng dựa vào phần mềm để thiết kế các cấu trúc vật liệu phức tạp, từ cánh máy bay đến các bộ phận cấy ghép y tế. Tuy nhiên, trong khi các mô hình thiết kế ngày càng trở nên tinh vi, kỹ thuật chế tạo của chúng ta lại chưa theo kịp. Ngay cả những máy in 3D tiên tiến nhất cũng chật vật để tạo ra các sản phẩm chính xác như thuật toán đã vạch ra. Vấn đề này đã tạo ra một khoảng cách lớn giữa hiệu suất lý thuyết của vật liệu và hiệu suất thực tế của nó.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại MIT đã tạo ra một giải pháp cho phép các mô hình thiết kế tính đến những hạn chế của công nghệ in 3D ngay từ đầu. Trong các thí nghiệm, họ đã chứng minh rằng phương pháp này có thể tạo ra các vật liệu có hiệu suất thực tế gần hơn rất nhiều so với thiết kế.

Josephine Carstensen, Phó Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường, cho biết: “Nếu không tính đến những hạn chế này, máy in có thể phun thừa hoặc thiếu vật liệu, khiến sản phẩm của bạn nặng hơn hoặc nhẹ hơn dự định. Điều này cũng có thể dẫn đến việc đánh giá sai lệch đáng kể về hiệu suất của vật liệu. Với kỹ thuật của chúng tôi, bạn có thể biết chắc chắn về hiệu suất sản phẩm, vì mô hình tính toán và kết quả thực nghiệm hoàn toàn khớp với nhau”. Phương pháp này được mô tả chi tiết trên tạp chí Materials & Design, trong một bài báo truy cập mở do Giáo sư Carstensen và nghiên cứu sinh Hajin Kim-Tackowiak đồng tác giả.

Kết nối lý thuyết với thực tế

Trong thập kỷ qua, các công nghệ thiết kế và chế tạo mới đã làm thay đổi cách sản xuất, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, ô tô và kỹ thuật y sinh. Đây là những lĩnh vực đòi hỏi vật liệu phải đạt được các ngưỡng hiệu suất khắt khe, chẳng hạn như tỷ lệ chính xác giữa trọng lượng và độ bền. Công nghệ in 3D, đặc biệt, cho phép tạo ra các vật liệu với cấu trúc bên trong vô cùng phức tạp.

Kim-Tackowiak giải thích: “Quy trình in 3D mang lại cho chúng tôi sự linh hoạt cao hơn, vì không cần phải tạo ra các loại khuôn đúc như trong các phương pháp truyền thống, ví dụ như ép phun”.

Cùng với sự phát triển của in 3D, các phương pháp thiết kế cũng ngày càng tinh vi. Một trong những kỹ thuật thiết kế bằng máy tính tiên tiến nhất là tối ưu hóa cấu trúc liên kết (topology optimization). Kỹ thuật này có thể tạo ra các cấu trúc vật liệu mới lạ và đáng kinh ngạc, vượt trội hơn các thiết kế truyền thống và đôi khi đạt đến giới hạn hiệu suất lý thuyết.

Tuy nhiên, tối ưu hóa cấu trúc liên kết thường tạo ra các thiết kế ở quy mô siêu nhỏ mà máy in 3D khó có thể tái tạo một cách đáng tin cậy. Vấn đề nằm ở kích thước của đầu in phun vật liệu. Ví dụ, nếu thiết kế yêu cầu một lớp dày 0,5 milimét, nhưng đầu in chỉ có thể phun ra lớp dày 1 milimét, sản phẩm cuối cùng sẽ bị biến dạng và thiếu chính xác.

Một vấn đề khác đến từ chính cách thức hoạt động của máy in 3D: đầu in phun ra một sợi vật liệu mỏng và di chuyển để tạo ra sản phẩm theo từng lớp. Quá trình này có thể tạo ra các liên kết yếu giữa các lớp, khiến sản phẩm dễ bị tách lớp hoặc hỏng hóc.

Các nhà nghiên cứu đã tìm cách giải quyết sự chênh lệch giữa đặc tính lý thuyết và thực tế của vật liệu do những hạn chế này gây ra. Kim-Tackowiak chia sẻ: “Chúng tôi nghĩ rằng, vì chúng ta đã biết trước những hạn chế này, và ngành khoa học cũng đã định lượng chúng ngày càng tốt hơn, tại sao chúng ta không đưa chúng vào quá trình thiết kế ngay từ đầu?”.

Trước đây, Giáo sư Carstensen đã phát triển một thuật toán tích hợp thông tin về kích thước đầu phun vào thiết kế. Trong nghiên cứu mới này, nhóm đã phát triển xa hơn bằng cách kết hợp cả hướng di chuyển của đầu in và tác động của các liên kết yếu giữa các lớp.

Cách tiếp cận này cho phép người dùng thêm các biến số vào thuật toán thiết kế, tính toán chính xác tâm của sợi vật liệu được phun ra và vị trí của vùng liên kết yếu. Nó cũng tự động xác định đường đi tối ưu cho đầu in trong quá trình sản xuất.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật của mình để tạo ra một loạt thiết kế 2D và so sánh chúng với các sản phẩm được tạo ra bằng phương pháp truyền thống. Kết quả thử nghiệm cho thấy, ở mật độ vật liệu dưới 70%, các sản phẩm thiết kế theo cách truyền thống có hiệu suất cơ học sai lệch nhiều hơn so với thiết kế mới. Nhìn chung, phương pháp của các nhà nghiên cứu đã tạo ra các sản phẩm có hiệu suất đáng tin cậy hơn. Carstensen nói: “Một trong những thách thức của tối ưu hóa cấu trúc liên kết là bạn cần rất nhiều chuyên môn để có kết quả tốt. Chúng tôi đang cố gắng làm cho việc tạo ra những sản phẩm có độ chính xác cao này trở nên dễ dàng hơn”.

Mở rộng quy mô phương pháp thiết kế mới

Các nhà nghiên cứu tin rằng đây là lần đầu tiên một kỹ thuật thiết kế có thể tính đến cả hai yếu tố: kích thước đầu in và liên kết yếu giữa các lớp. “Khi thiết kế, bạn nên sử dụng càng nhiều thông tin thực tế càng tốt”, Kim-Tackowiak nói. “Thật tuyệt khi thấy rằng việc đưa thêm các yếu tố thực tế vào quá trình thiết kế giúp vật liệu cuối cùng trở nên chính xác hơn. Điều này có nghĩa là sẽ có ít bất ngờ hơn, và kết quả từ máy tính sẽ tương đồng với sản phẩm thực tế”.

Trong tương lai, nhóm hy vọng sẽ cải thiện phương pháp này cho các vật liệu có mật độ cao hơn và các loại vật liệu khác như xi măng và gốm sứ.“Thật thú vị khi chỉ cần nhập thông số về kích thước lớp phun và đặc tính liên kết, bạn có thể tạo ra những thiết kế mà trước đây đòi hỏi sự tư vấn của một người có kinh nghiệm nhiều năm”, Kim-Tackowiak chia sẻ.

Công trình này mở ra con đường để thiết kế với nhiều loại vật liệu hơn. Kim-Tackowiak cho biết: “Chúng tôi hy vọng kỹ thuật này sẽ cho phép sử dụng những vật liệu mà trước đây người ta thường bỏ qua vì khó in. Giờ đây, chúng ta có thể tận dụng hoặc khắc phục những đặc tính riêng của chúng, thay vì bị giới hạn lựa chọn vật liệu”.

P.T.T (NASTIS), theo Nanowerk Spotlight, 11/2025