GIỚI THIỆU VỀ GIA CÔNG KIM LOẠI TẤM TỪ TẠO MẪU ĐẾN SẢN XUẤT

Gia công kim loại đóng vai trò thiết yếu trong mọi lĩnh vực của nền kinh tế. Nhờ đặc tính bền chắc, cứng vững và độ bền lâu dài, các chi tiết kim loại được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ đồ gia dụng đến linh kiện xây dựng và vỏ thân xe ô tô. Các kỹ thuật gia công kim loại truyền thống bao gồm: tạo hình, đúc, ép khuôn, hàn – ghép nối và gia công cơ khí chính xác.

Gia công kim loại tấm (sheet metal forming) bao gồm nhiều quy trình khác nhau, trong đó một lực được tác động lên tấm kim loại để làm vật liệu biến dạng dẻo thành hình dạng mong muốn, thay đổi hình học mà không loại bỏ vật liệu. Kim loại tấm có thể được uốn cong hoặc kéo giãn thành nhiều hình dạng phức tạp, cho phép tạo ra những kết cấu có độ bền cao với lượng vật liệu tối thiểu.

Gia công kim loại tấm hiện nay là quy trình tạo hình tiết kiệm chi phí nhất để sản xuất hàng loạt. Nó có thể được tự động hóa ở quy mô công nghiệp hoặc thực hiện thủ công tại các xưởng cơ khí để sản xuất những lô sản phẩm nhỏ. Đây là phương pháp linh hoạt, ổn định và chất lượng cao, giúp tạo ra các chi tiết kim loại chính xác với mức phế thải hạn chế. Từ lon kim loại cho đến vỏ bảo vệ linh kiện phần cứng, các sản phẩm tạo ra từ kim loại tấm có mặt ở khắp nơi trong đời sống hàng ngày.

Trong bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu những kiến thức cơ bản về kim loại tấm, các quy trình gia công kim loại tấm phổ biến, và cách giảm chi phí nhờ khuôn mẫu nhanh (rapid tooling) kết hợp với khuôn in 3D.

Kiến thức cơ bản về kim loại tấm

Kim loại tấm (sheet metal) là những tấm kim loại mỏng, phẳng, được tạo ra thông qua các quy trình công nghiệp. Chúng có thể rất mỏng, ở dạng lá hoặc màng kim loại (foil/leaf), cho đến những tấm dày tối đa khoảng 6 mm (0,25 inch). Các tấm dày hơn 6 mm thường được gọi là thép tấm dày (plate steel) hoặc thép kết cấu (structural steel).

Độ dày kim loại tấm thường được quy định theo milimét ở hầu hết các quốc gia, trong khi tại Hoa Kỳ người ta sử dụng một thang đo phi tuyến tính gọi là gauge. Số gauge càng lớn thì tấm kim loại càng mỏng.

Kim loại tấm được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất ô tô, máy bay, tàu hỏa, vỏ thiết bị điện tử, dụng cụ văn phòng, nội thất, đồ gia dụng, máy tính, linh kiện máy móc, lon đồ uống, và cả trong xây dựng như ống dẫn khí, máng xối…

Ngược lại, thép tấm dày (plate metal) thường được sử dụng trong những ứng dụng yêu cầu độ bền và khả năng chịu lực cao hơn so với yếu tố trọng lượng, chẳng hạn như các bộ phận kết cấu lớn của tàu thủy, bình chịu áp lực, hoặc tuabin.

Nhiều loại kim loại có thể được chế tạo thành kim loại tấm, bao gồm: nhôm, thép, đồng thau, thiếc, đồng, niken, titan, và thậm chí là các kim loại quý như vàng, bạc, bạch kim cho mục đích trang trí.

Thông thường, kim loại tấm được sản xuất ở dạng cuộn (coil) thông qua quá trình cán, sau đó có thể được cắt và uốn thành nhiều hình dạng khác nhau tùy theo nhu cầu.

Gia công kim loại tấm hoạt động như thế nào?

Gia công kim loại tấm bao gồm nhiều phương pháp như uốn (bending), xoay (spinning), dập vuốt (drawing), hoặc kéo giãn (stretching), được thực hiện thông qua khuôn (dies) hoặc dụng cụ dập (punching tools). Thông thường, quá trình này được tiến hành trên máy ép (press), trong đó chi tiết được tạo hình giữa hai bộ khuôn.

Quy trình tạo hình kim loại tấm nhìn chung khá đơn giản:

1. Tấm kim loại được cắt từ cuộn kim loại để tạo ra các phôi (blanks) riêng lẻ.

2. Phôi được đặt vào máy tạo hình, nằm giữa hai bộ khuôn.

3. Dưới tác động lực lớn từ máy, khuôn trên (upper die hay punch) sẽ ép tấm kim loại vào khuôn dưới, khiến vật liệu uốn cong và biến dạng theo hình dạng mong muốn.

Tuy nhiên, một nhược điểm của gia công kim loại tấm là đòi hỏi nhiều thiết bị chuyên dụng. Quy trình này cần có máy móc và bộ khuôn thiết kế riêng cho từng loại sản phẩm. Như đã đề cập, khuôn (die/form) chính là bộ phận quyết định đến việc uốn và tạo hình tấm kim loại.

Thông thường, các nhà sản xuất sẽ chế tạo khuôn bằng kim loại thông qua gia công CNC tại chỗ hoặc thuê ngoài dịch vụ chuyên nghiệp. Quá trình này đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu rất cao và kéo dài thời gian sản xuất.

Trong bối cảnh đổi mới công nghệ, các ngành công nghiệp sử dụng linh kiện kim loại ngày càng cần những chi tiết phức tạp hơn, linh hoạt hơn trong chế tạo. Vì vậy, tái tư duy về kỹ thuật chế tạo khuôn chính là đòn bẩy mạnh mẽ để tối ưu chi phí và rút ngắn thời gian sản xuất.

Dụng cụ in 3D cho tạo mẫu và sản xuất số lượng nhỏ trong gia công kim loại tấm

Mặc dù những chi tiết lớn như vỏ thân xe ô tô thường gắn liền với các bộ khuôn kim loại cồng kềnh, nhưng phần lớn xưởng cơ khí cũng sản xuất nhiều loại chi tiết nhỏ, vốn chỉ cần lực uốn thấp. Việc thay thế những bộ khuôn kim loại này bằng khuôn nhựa in 3D ngay tại chỗ cho mục đích tạo mẫu (prototyping) và sản xuất số lượng ít có thể giúp rút ngắn thời gian phát triển và giảm đáng kể chi phí sản xuất.

Với in 3D tại chỗ, các kỹ sư có thể nhanh chóng tạo mẫu chi tiết kim loại và thử nghiệm các thiết kế khuôn chỉ trong vài giờ, đạt được những hình dạng phức tạp mà không cần phụ thuộc nhiều vào dịch vụ gia công bên ngoài. Các máy in 3D để bàn chuyên nghiệp hiện nay có giá phải chăng, dễ triển khai và có thể nhanh chóng mở rộng theo nhu cầu sản xuất.

Trên thực tế, nhiều nhà sản xuất đã sử dụng nhựa polymer SLA (stereolithography) để thay thế cho các đồ gá (jigs), khuôn cố định (fixtures) và các chi tiết thay thế trong nhà máy. Trong các quy trình như ép phun nhựa (injection molding) hoặc ép nhiệt (thermoforming), việc dùng khuôn thử bằng nhựa đã chứng minh hiệu quả trong việc xác nhận thiết kế và giải quyết các thách thức về DFM (Design for Manufacturing – thiết kế tối ưu cho sản xuất) trước khi đầu tư vào khuôn kim loại đắt tiền. Khoản tiết kiệm chi phí khi chuyển từ kim loại sang nhựa là rất đáng kể.

Công nghệ in 3D SLA mang lại nhiều đặc tính nổi bật cho gia công kim loại tấm. Với độ chính xác cao và bề mặt in mịn, máy in SLA có thể chế tạo ra các bộ khuôn có tính đồng bộ và lặp lại tốt. Nhờ thư viện vật liệu phong phú với nhiều đặc tính cơ học khác nhau, người dùng có thể lựa chọn loại nhựa phù hợp với từng ứng dụng để tối ưu kết quả tạo hình. Nhựa SLA còn có đặc tính đẳng hướng (isotropic) và ổn định hơn dưới tải trọng so với nhiều loại vật liệu in 3D khác. Một ưu điểm khác là khuôn nhựa không để lại vết trên tấm kim loại, giúp loại bỏ công đoạn đánh bóng vốn thường cần thiết khi dùng khuôn kim loại.

Cơ chế hoạt động về cơ bản vẫn tương tự quy trình tạo hình kim loại tấm truyền thống. Điểm khác biệt nằm ở việc thiết kế và in ra bộ khuôn nhựa gồm 2 phần: khuôn trên và khuôn dưới. Sau đó, phôi kim loại tấm được đặt vào giữa hai khuôn này và được ép bằng máy ép thủy lực hoặc các thiết bị tạo hình khác.

So sánh chi phí và thời gian giao hàng cho khuôn mẫu nhanh trong gia công kim loại tấm

Việc tự in 3D khuôn tạo hình kim loại tấm tại chỗ mang lại sự linh hoạt lớn cho các kỹ sư và nhà thiết kế, giúp rút ngắn thời gian sản xuất từ vài tuần xuống chỉ còn trong một ngày.

Đối với sản xuất số lượng lớn, việc tạo mẫu khuôn bằng nhựa cho phép xác minh và tối ưu thiết kế trước khi đầu tư vào khuôn kim loại đắt đỏ.
Đối với sản xuất số lượng nhỏ, việc sử dụng khuôn in 3D có thể giúp tiết kiệm hàng trăm đô la so với việc thuê ngoài gia công.

Dưới đây là bảng so sánh chi phí và thời gian thực hiện cho khuôn dùng trong chế tạo bộ phận bảo vệ lưỡi dao kim loại (theo white paper của chúng tôi):