Hợp kim titan từ lâu đã là nền tảng không thể thay thế trong sản xuất tiên tiến, nổi bật nhờ tổ hợp những tính chất hiếm có khiến nó vượt trội so với các kim loại khác: tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao hơn thép tới 40% trong khi lại nhẹ hơn 45%, khả năng chống ăn mòn ngay cả trong môi trường biển hoặc hóa chất khắc nghiệt, và tính tương thích sinh học cho phép nó kết hợp với mô người mà không gây phản ứng miễn dịch. Trong nhiều thập kỷ, những đặc tính này đã làm cho hợp kim titan trở nên không thể thiếu trong các lĩnh vực then chốt: các kỹ sư hàng không vũ trụ sử dụng các hợp kim titan như Ti-6Al-4V để chế tạo cánh quạt động cơ phản lực phải chịu nhiệt độ trên 500°C và ứng suất cơ học cực lớn, trong khi các bác sĩ phẫu thuật chỉnh hình dựa vào tính trơ của titan để làm các thiết bị cấy ghép đầu gối và hông có thể tồn tại hơn 20 năm trong cơ thể người. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi hợp kim này đã bị cản trở bởi những rào cản dai dẳng và đan xen nhau: các phương pháp gia công truyền thống—như rèn, đúc và gia công CNC—tạo ra lượng phế liệu lên tới 70-80%. Quặng titan thô, còn gọi là rutile, đòi hỏi quá trình tinh luyện tốn nhiều năng lượng để sản xuất ra bọt titan tinh khiết, và việc định hình khối bọt này thành sản phẩm hoàn chỉnh thường làm mất đi phần lớn vật liệu. Sự lãng phí này, cộng với tình trạng khan hiếm titan toàn cầu do nhu cầu ngày càng tăng từ ngành hàng không vũ trụ, đã khiến giá thành duy trì ở mức cao tới 30 USD mỗi pound, làm hạn chế phạm vi sử dụng titan chỉ trong một số ngành chuyên biệt, đồng thời khiến các lĩnh vực như điện tử tiêu dùng, xe điện (EV) và năng lượng tái tạo không thể tiếp cận được lợi ích từ kim loại này.
Tuy nhiên, những đột phá gần đây trong sản xuất cộng gộp (AM) đang làm đảo lộn mô hình tồn tại từ lâu này. Các công nghệ in 3D — nổi bật nhất là Lắng đọng laser chọn lọc (SLM) và In phun keo dính (BJ) — đã nổi lên như những giải pháp cách mạng bằng cách cho phép sản xuất các bộ phận titan phức tạp, gần đúng hình dạng cuối cùng (near-net-shape), với lượng hao hụt vật liệu tối thiểu, thường dưới 10%. SLM, một kỹ thuật hợp nhất bột theo lớp, sử dụng tia laser sợi quang công suất cao (thường từ 200-400 watt) để nung chảy từng lớp bột titan theo từng điểm chọn lọc, tạo ra các chi tiết với độ chính xác kích thước trong phạm vi ±0,1mm. Phương pháp này vượt trội trong việc tạo ra các bộ phận có độ đặc cao (lên đến 99,9%) với cấu trúc bên trong phức tạp, ví dụ như các dụng cụ cấy ghép dạng tổ ong mô phỏng độ xốp của xương xốp người (độ xốp 30-70%) nhằm thúc đẩy quá trình tích hợp xương, hoặc các vòi phun nhiên liệu hàng không có kênh làm mát bên trong quá phức tạp để gia công bằng phương pháp truyền thống. Ngược lại, In phun keo dính (Binder Jetting) mang lại cách tiếp cận quy mô lớn hơn: nó phun một chất kết dính dạng lỏng lên bề mặt lớp bột titan để tạo thành các chi tiết 'xanh' (green parts), sau đó được loại bỏ keo dính và nung kết trong lò nhiệt độ cao để đạt được độ đặc hoàn toàn. Quy trình này nhanh hơn từ 3-5 lần so với SLM và phù hợp hơn với sản xuất số lượng lớn, do đó rất lý tưởng cho các bộ phận ô tô như giá đỡ vỏ pin xe điện (EV) hoặc các cụm phụ kiện hàng không như xương sườn cánh.
Khả năng này đặc biệt cách mạng đối với các ngành công nghiệp đòi hỏi tùy chỉnh, giảm trọng lượng hoặc tối ưu hóa thiết kế. Trong lĩnh vực y sinh, tập đoàn thiết bị y tế toàn cầu Zimmer Biomet hiện đang sử dụng SLM để sản xuất các miếng ghép hông theo đơn đặt hàng, được cá nhân hóa dựa trên dữ liệu chụp CT riêng lẻ của từng bệnh nhân. Những miếng ghép này có kết cấu bề mặt được cá nhân hóa nhằm thúc đẩy sự phát triển của xương, giúp giảm thời gian phẫu thuật 25% và cắt giảm tỷ lệ biến chứng sau phẫu thuật gần 40% so với các miếng ghép tiêu chuẩn. Trong ngành hàng không vũ trụ, Boeing đã tích hợp hơn 600 giá đỡ titan in 3D vào máy bay 787 Dreamliner của mình, mỗi giá đỡ nhẹ hơn 30% so với các bộ phận thép hàn mà chúng thay thế. Việc giảm trọng lượng này tương ứng với mức cải thiện 1,5% về hiệu suất nhiên liệu—một lợi ích đáng kể đối với các hãng hàng không đang phải đối mặt với chi phí nhiên liệu tăng vọt. Ngay cả trong lĩnh vực công nghệ tiêu dùng, các thương hiệu cũng đang chuyển đổi theo xu hướng này: dòng đồng hồ G-Shock của Casio hiện cung cấp những chiếc đồng hồ có vỏ titan AM nhẹ hơn 20% so với phiên bản thép không gỉ, đồng thời chống trầy xước tốt hơn 30%, và công ty công nghệ Trung Quốc Xiaomi đã sử dụng titan in BJ cho khung điện thoại thông minh Mix Fold 3, tạo sự cân bằng giữa độ bền và thiết kế mỏng gọn. Đối với những ngành công nghiệp này, AM không chỉ làm cho titan trở nên tiết kiệm chi phí hơn—mà còn mở ra những khả năng thiết kế trước đây là không thể.
Một yếu tố chính thúc đẩy sự chuyển dịch này là sự trưởng thành của quy trình xử lý bột titan—nguồn sống của sản xuất phụ gia (AM). Các loại bột titan ban đầu có hình dạng không đều và kích thước hạt không đồng nhất, dẫn đến khả năng chảy kém và kết quả in không ổn định. Ngày nay, những đổi mới như nguyên tử hóa plasma và nguyên tử hóa bằng khí đã cách mạng hóa quá trình tạo hình cầu của bột, sản xuất ra các hạt tròn nhẵn, chảy đều đặn trong các máy AM. Các công nghệ phân loại chính xác hiện nay cho phép kiểm soát chặt chẽ phân bố kích thước hạt (thường từ 15–45μm đối với SLM), đảm bảo mật độ đóng gói ổn định và giảm các khuyết tật in như độ xốp. Hơn nữa, sự xuất hiện của bột titan tái chế—có nguồn gốc từ phế liệu gia công CNC, mảnh vụn thừa từ ngành hàng không vũ trụ và thậm chí từ các thiết bị y tế bị loại bỏ—đã giải quyết đồng thời các vấn đề về chi phí và tính bền vững. Các công ty như Kyhe Technology đã phát triển quy trình tinh chế phế liệu tái chế thành bột AM chất lượng cao, giảm chi phí vật liệu từ 40–60% và chuyển hàng tấn kim loại khỏi các bãi chôn lấp, phù hợp với các sáng kiến kinh tế tuần hoàn toàn cầu.
Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức tồn tại ngăn cản việc áp dụng rộng rãi titan trong sản xuất phụ gia. Tính phản ứng cực mạnh của titan với oxy nghĩa là quá trình in phải diễn ra trong môi trường trơ như argon hoặc nitơ, đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và chi phí cao để duy trì mức oxy cực thấp (dưới 0,1%). Quá trình xử lý sau in cũng vẫn là điểm nghẽn: hầu hết các bộ phận titan in bằng phương pháp AM cần được xử lý nhiệt để giảm các ứng suất dư, sau đó là gia công cơ khí hoặc đánh bóng để đạt được độ hoàn thiện bề mặt cuối cùng—những bước này có thể chiếm từ 30–50% tổng thời gian và chi phí sản xuất. Ngoài ra, kiểm soát chất lượng vẫn rất phức tạp, vì những khuyết tật nhỏ như vết nứt vi mô có thể làm suy giảm hiệu suất của bộ phận, đòi hỏi các công cụ kiểm tra tiên tiến như chụp cắt lớp vi tính (CT).
Các nỗ lực trong ngành hiện đang tập trung vào việc phát triển các giải pháp tích hợp nhằm tối ưu hóa toàn bộ quy trình sản xuất phụ gia. Các nhà khoa học vật liệu đang nghiên cứu các hợp kim titan với thành phần hóa học được điều chỉnh để giảm độ nhạy với oxy, trong khi các hệ thống giám sát quá trình dựa trên trí tuệ nhân tạo sử dụng dữ liệu cảm biến thời gian thực để phát hiện và khắc phục lỗi ngay trong quá trình in. Các công ty như EOS đang đi đầu trong các giải pháp "in đến thành phẩm", kết hợp máy sản xuất phụ gia với các mô-đun xử lý hậu kỳ tự động, tạo nên một dây chuyền sản xuất liền mạch. Đồng thời, các tổ chức tiêu chuẩn như ASTM International đang làm việc để thiết lập các tiêu chí thống nhất đối với bột titan và chi tiết in bằng phương pháp sản xuất phụ gia, từ đó xây dựng niềm tin cho các nhà sản xuất.
Hành trình rõ ràng: khi các công nghệ này trưởng thành, hợp kim titan sẽ ngày càng thâm nhập vào các ứng dụng thị trường đại chúng. Trong xe điện, AM titanium có thể giảm trọng lượng thùng pin, mở rộng phạm vi mà không phải hy sinh an toàn. Trong năng lượng tái tạo, nó có thể tạo ra các thành phần chống ăn mòn cho tuabin gió ngoài khơi. Những gì từng là một vật liệu cao cấp giới hạn trong các ngành công nghiệp ưu tú đang trên đường trở thành một khối xây dựng chính của sản xuất hiện đại được dân chủ hóa bởi hiệu quả sản xuất phụ gia và bột tái chế bền vững. Chương tiếp theo của Titanium không chỉ là về các bộ phận tốt hơn, mà còn về việc xây dựng một hệ sinh thái công nghiệp hiệu quả hơn, tuần hoàn hơn.
EN