Định hình tương lai với vỏ titan in 3D của Apple Watch

tải video Lần đầu tiên, toàn bộ quy trình sản xuất vỏ Apple Watch Ultra 3 và vỏ titan của Series 11 đều được thực hiện bằng công nghệ in 3D. Mọi thứ bắt đầu từ một ý tưởng “như trên mây”: Liệu có thể tận dụng công nghệ in 3D, vốn chỉ dùng để tạo bản mẫu, để sản xuất hàng triệu vỏ máy giống hệt nhau bằng kim loại tái chế chất lượng cao mà vẫn đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế khắt khe của Apple? “Đó không chỉ là một ý tưởng trên giấy — mà là một ý tưởng đang thôi thúc để được biến thành hiện thực,” Kate Bergeron, Phó Chủ tịch về Thiết kế Sản phẩm của Apple, chia sẻ. “Ngay khi đặt ra câu hỏi đó, chúng tôi lập tức bắt tay vào thử nghiệm. Qua quá trình liên tục tạo bản mẫu, tối ưu hóa quy trình và thu thập lượng dữ liệu khổng lồ, chúng tôi phải chứng minh rằng công nghệ này đủ khả năng đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng cao mà chúng tôi đặt ra.” Năm nay, toàn bộ vỏ Apple Watch Ultra 3 và vỏ titan của Apple Watch Series 11 đều được in 3D từ 100% bột titan tái chế chuẩn hàng không vũ trụ, một thành tựu từng được cho là bất khả thi ở quy mô lớn. Mọi đội ngũ tại Apple đã cùng đồng lòng vì một khát vọng chung. Bề mặt bóng như trên Series 11 phải tinh khôi như mới. Ultra 3 phải giữ được độ bền chắc và trọng lượng nhẹ để đáp ứng nhu cầu mỗi ngày của những người dùng thích phiêu lưu. Cả hai sản phẩm cũng phải thân thiện hơn với môi trường mà không đánh đổi bằng hiệu năng, và phải sử dụng vật liệu có chất lượng tương đương hoặc tốt hơn. “Tại Apple, mọi đội nhóm đều xem môi trường là giá trị cốt lõi,” Sarah Chandler, Phó Chủ tịch về Môi trường và Đổi mới Chuỗi cung ứng của Apple, chia sẻ. “Chúng tôi biết in 3D là một công nghệ có tiềm năng lớn giúp tiết kiệm nguyên vật liệu, điểm then chốt để đạt được mục tiêu Apple 2030.” Apple 2030 là mục tiêu đầy hoài bão của công ty nhằm đạt mục tiêu trung hòa carbon trong toàn bộ hoạt động vào cuối thập kỷ này, bao gồm cả chuỗi cung ứng sản xuất và vòng đời sử dụng sản phẩm. Hiện tại, toàn bộ lượng điện sử dụng để sản xuất Apple Watch đều đến từ các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời.

• Cận cảnh Apple Watch Ultra 3.
• Cận cảnh Apple Watch Series 11.

• previous
• next

Bằng quy trình đắp lớp của công nghệ in 3D, từng lớp vật liệu được in chồng lên nhau cho đến khi sản phẩm gần đạt đến hình dạng cuối mong muốn. Theo cách truyền thống, gia công các chi tiết rèn được thực hiện bằng phương pháp cắt gọt, đòi hỏi phải loại bỏ một lượng lớn vật liệu. Bước chuyển đổi này giúp vỏ Ultra 3 và vỏ titan của Series 11 chỉ cần dùng một nửa lượng vật liệu thô so với các thế hệ trước. “Mức giảm 50% lượng vật liệu là một thành tựu vô cùng to lớn — bạn sẽ nhận được hai chiếc đồng hồ từ cùng một lượng vật liệu vốn chỉ đủ để làm một chiếc,” Chandler giải thích. “Khi nhìn lại cả quy trình, những gì chúng ta tiết kiệm được cho hành tinh là vô cùng khổng lồ.” Tổng cộng, Apple ước tính rằng chỉ riêng trong năm nay, hơn 400 tấn titan thô sẽ tiết kiệm được nhờ quy trình mới này.

Trong suốt thập kỷ qua, Apple đã liên tục thử nghiệm công nghệ in 3D trong lúc ngành công nghiệp này bắt đầu bùng nổ. Trong các phòng thí nghiệm bệnh viện, các bác sĩ đã bắt đầu sử dụng những bộ phận giả và cơ quan nhân tạo được in 3D đầu tiên. Thậm chí ngoài bầu khí quyển Trái Đất, các phi hành gia trên Trạm Vũ trụ Quốc tế cũng khám phá ra tốc độ và sự tiện lợi của việc in 3D các dụng cụ thiết yếu ngay trên tàu. “Chúng tôi đã quan sát công nghệ này phát triển trong thời gian dài và nhận thấy các bản mẫu ngày càng phản ánh đúng thiết kế của chúng tôi,” Tiến sĩ J Manjunathaiah, Giám đốc cấp cao về Thiết kế Sản xuất cho Apple Watch và Vision, chia sẻ. “Ý định chúng tôi hướng đến luôn là sử dụng ít vật liệu hơn để tạo ra sản phẩm. Trước đây, chúng tôi chưa thể tạo các bộ phận ngoại quan ở quy mô lớn bằng công nghệ in 3D. Do đó, chúng tôi bắt đầu thử nghiệm in 3D kim loại để tạo ra các bộ phận này.” Đối với Apple, chức năng, vẻ đẹp và độ bền bỉ là những tiêu chuẩn tối thiểu. Bên cạnh đó là khả năng sản xuất hàng loạt, cùng với thử nghiệm độ bền nghiêm ngặt, hiệu năng và thậm chí là các đột phá trong khoa học vật liệu, mà vẫn đảm bảo Apple duy trì mục tiêu giảm phát thải của mình vào năm 2030.

Chúng tôi luôn cam kết mạnh mẽ với việc thay đổi hệ thống. Chúng tôi không làm điều gì chỉ để làm một lần. Chúng tôi đang làm để biến điều đó trở thành cách thức vận hành mới cho toàn hệ thống.

Sarah Chandler , Phó Chủ tịch về Môi trường và Đổi mới Chuỗi cung ứng của Apple

Trong quy trình tiên tiến này, các tia laser in từng lớp vật liệu bằng bột titan tái chế. Nhìn từ trên xuống, các khối in nhô lên khỏi mặt đất trông như những tòa tháp Lego trắng li ti hoạt động suốt ngày đêm. Đó là những chiếc máy in 3D đang miệt mài tạo nên vỏ titan cho Apple Watch Ultra 3 và Series 11. Mỗi máy có một điện kế (galvanometer) chứa sáu tia laser, tất cả hoạt động đồng thời để tạo nên hết lớp này đến lớp kia, tổng cộng hơn 900 lớp, cho đến khi hoàn thiện một chiếc vỏ đồng hồ. Nhưng trước khi máy in có thể bắt đầu làm việc, titan thô phải được phun sương tán nhỏ thành bột. Quy trình này cần tinh chỉnh kiểm soát hàm lượng ôxi để giảm tính chất dễ cháy nổ của titan khi gặp nhiệt độ cao. “Đây là công nghệ khoa học vật liệu tối tân,” Bergeron chia sẻ. “Bột phải có đường kính 50 micron, nhỏ như cát siêu mịn,” Manjunathaiah giải thích. “Khi tác động bằng tia laser, bột titan phản ứng khác nhau tùy theo có ôxi hay không. Vậy nên chúng tôi phải tìm cách giữ hàm lượng ôxi ở mức thấp.” “Hiệu chỉnh độ dày sao cho mỗi lớp đạt chính xác 60 micron đồng nghĩa với việc phải dàn trải lớp bột này cực kỳ tinh vi,” Bergeron chia sẻ. “Chúng tôi phải tiến nhanh nhất có thể để đảm bảo khả năng sản xuất, đồng thời thực hiện chậm nhất có thể để đạt độ chính xác. Điều đó giúp chúng tôi vừa hiệu quả, vừa đạt chuẩn thiết kế.” Sau khoảng 20 giờ và hơn 900 lớp in, vỏ máy đã sẵn sàng bước vào công đoạn hoàn thiện. Khi máy in hoàn thành nhiệm vụ, chuyên viên vận hành sẽ hút phần bột dư khỏi tấm nền — đây là quy trình hút bột thừa thô (rough depowdering). Do các chi tiết được in gần như có hình dạng hoàn thiện, bao gồm toàn bộ các khớp nối cần thiết, bột vẫn có thể đọng lại trong những khe và góc nhỏ của vỏ máy. Một thiết bị lắc siêu âm sẽ loại bỏ nốt phần bột còn sót lại trong giai đoạn gọi là loại bỏ bột thừa tinh (fine depowdering) Trong quá trình tách chi tiết khỏi tấm nền (singulation), một sợi dây mảnh có điện sẽ cắt tách từng vỏ máy ra, trong khi chất làm mát được phun liên tục để giữ nhiệt độ trong quá trình cắt ở mức thấp. Sau đó, hệ thống kiểm tra quang học tự động sẽ đo đạc từng vỏ, kiểm tra độ chính xác của kích thước và ngoại quan. Đây là bước kiểm tra chất lượng cuối cùng để bảo đảm vỏ sẵn sàng cho giai đoạn hoàn thiện. “Kỹ sư cơ khí của chúng tôi hẳn là những người giỏi trò xếp hình nhất trên khắp thế giới,” Bergeron chia sẻ. “Họ đưa bảng mạch, màn hình, pin, tất cả mọi linh kiện đó vào bên trong vỏ trong quá trình lắp ráp cuối và khiến chúng nằm vừa khít. Chúng tôi kiểm tra xuyên suốt để đảm bảo đồng hồ hoạt động đúng chức năng, sau đó cài phần mềm và chạy thử trong một khoảng thời gian để chắc chắn mọi chức năng đều đáp ứng yêu cầu.” Một cải tiến quan trọng khác trong thiết kế được mở ra nhờ công nghệ in 3D: in các kết cấu ở những vị trí mà trước đây quy trình rèn truyền thống không thể tiếp cận được. Với Apple Watch, đó có nghĩa là chúng tôi có thể cải thiện quy trình chống nước của khu vực chứa ăng-ten trên phiên bản mạng di động. Bên trong phần vỏ, phiên bản mạng di động có một khe được đổ nhựa để đảm nhiệm chức năng ăng-ten. Nhờ in 3D một lớp kết cấu đặc biệt trên bề mặt kim loại bên trong, Apple đạt được độ kết nối tốt hơn giữa nhựa và kim loại. Công đoạn kết hợp các mảnh ghép lại với nhau là hành trình kéo dài nhiều năm, bắt đầu bằng hàng loạt bản demo và mô hình nghiệm chứng để tinh chỉnh công thức, từ thành phần hợp kim cụ thể cho đến chính quy trình in. Sau khi thử nghiệm ở quy mô nhỏ trong các thế hệ sản phẩm trước, cả nhóm đã tự tin rằng công nghệ này có thể giải quyết những thách thức đặc trưng khi làm việc với titan. “Chúng tôi luôn thực hiện những bước tiến nhỏ, nhưng cần thiết, để mở đường cho bước tiếp theo,” Bergeron chia sẻ. “Giờ đây, điều này đã mở ra cơ hội cho thiết kế linh hoạt hơn nữa so với những gì chúng ta có trước đây. Khi đạt được sự đột phá này trên quy mô lớn, theo cách bền vững thật sự, và ở cả cấp độ thẩm mỹ lẫn cấu trúc mà chúng tôi cần, thì tiềm năng giờ là vô tận.” Không chỉ riêng Apple Watch, tính linh hoạt trong thiết kế này còn mang đến lợi ích khác: cổng USB-C trên iPhone Air mới. Bằng cách tạo một cổng hoàn toàn mới với vỏ máy titan được in 3D từ cùng loại bột titan tái chế, Apple đã biến thiết kế siêu mỏng nhưng vẫn bền bỉ của mẫu điện thoại này thành hiện thực. Đây là điều kỳ diệu xảy ra khi các quy luật vật lý, đổi mới vật liệu, thiết kế tinh xảo và cam kết mạnh mẽ với môi trường hòa hợp với nhau. “Chúng tôi luôn cam kết mạnh mẽ với việc thay đổi hệ thống,” Chandler chia sẻ. “Chúng tôi không bao giờ làm điều gì chỉ để làm một lần — chúng tôi làm để nó trở thành cách mà cả hệ thống vận hành về sau. Kim chỉ nam của chúng tôi vẫn luôn là thiết kế những sản phẩm tốt hơn cho mọi người và thân thiện hơn với hành tinh. Khi chúng ta cùng nhau đổi mới mà không làm ảnh hướng đến thiết kế, sản xuất và mục tiêu môi trường mình đã đặt ra, thì những lợi ích mang lại sẽ lớn hơn gấp bội so với mọi điều chúng ta hình dung.”