TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IN 3D
Tổng quan công nghệ in 3D
In 3D là một phương pháp chế tạo tiên tiến, cho phép tạo ra vật thể ba chiều từ mô hình kỹ thuật số mà không cần khuôn Quá trình bắt đầu bằng cách xuất mô hình CAD 3D sang phần mềm AM ở định dạng STL, sau đó mô hình này được cắt thành các lớp nhỏ và thông tin được gửi đến máy in 3D Các lớp được in lần lượt cho đến khi hoàn thành sản phẩm, và sự khác biệt trong từng lớp phụ thuộc vào loại máy in 3D được sử dụng.
Công nghệ in 3D đã có sự phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, vượt ra ngoài ứng dụng truyền thống là tạo mẫu nhanh Hiện nay, in 3D được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất đa dạng, bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô, kỹ thuật sinh học, giáo dục, thời trang và thực phẩm.
Vật liệu in 3D hiện nay rất đa dạng, bao gồm nhựa dạng sợi, bột và lỏng, bột kim loại, tấm kim loại, thủy tinh và hợp chất hữu cơ cho in thực phẩm Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu in composite, đặc biệt là composite nền polymer cho công nghệ FDM, đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu.
Công nghệ in 3D, hay còn gọi là công nghệ Rapid Prototyping (RP), lần đầu tiên được giới thiệu vào cuối những năm 1980 Người đầu tiên xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ này là DR Kodama từ Nhật Bản vào tháng 5 năm 1980 Tuy nhiên, do không nộp tài liệu sáng chế đầy đủ đúng hạn, ông đã mất quyền sở hữu sáng chế, và điều này càng tồi tệ hơn khi người duyệt đơn cho ông là một luật sư sáng chế Mặc dù vậy, in 3D đã nhanh chóng phát triển và trở thành một công nghệ quan trọng trong nhiều lĩnh vực.
Công nghệ in 3D có nguồn gốc từ năm 1986 với việc cấp bằng sáng chế đầu tiên cho thiết bị tạo khối (SLA), do Charles (Chuck) Hull phát minh vào năm 1983 Hull không chỉ là người sáng chế máy SLA mà còn là đồng sáng lập Tổng Công ty Hệ thống 3D, một trong những tổ chức hàng đầu trong ngành in 3D hiện nay.
Hệ thống 3D thương mại đầu tiên với công nghệ RP, SLA-1, được giới thiệu vào năm 1987 và được bán vào năm 1988 SLA tuyên bố là công nghệ dẫn đầu trong RP, nhưng không phải là công nghệ duy nhất, vì cùng năm, Carl Deckard tại Đại học Texas đã đệ trình bằng sáng chế cho quy trình SLS, được cấp vào năm 1989 và sau đó được cấp phép cho DTM, Inc Năm 1989 cũng là năm Scott Crump, đồng sáng lập Stratasys Inc., nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho FDM, với bằng sáng chế được cấp vào năm 1992 Tại Châu Âu, EOS GmbH được thành lập vào năm 1989 bởi Hans Langer, tập trung vào quy trình thiêu kết laser (LS), và các hệ thống EOS hiện nay được công nhận toàn cầu về chất lượng sản xuất cho ứng dụng in 3D trong công nghiệp.
Quá trình thiêu kết kim loại laser trực tiếp (DMLS) được khởi nguồn vào năm 1990 từ một dự án ban đầu với một bộ phận của Electrolux tại Phần Lan, và sau đó đã được công ty EOS mua lại.
Trong những năm gần đây, nhiều công nghệ và quy trình in 3D mới đã xuất hiện, bao gồm Sản xuất bằng hạt Ballistic (BPM) do William Masters cấp bằng sáng chế, Laminated Object Manufacturing (LOM) do Michael Feygin phát triển, Solid Ground Curing (SGC) của Itzchak Pomerantz và đồng nghiệp, cùng với công nghệ 'in ba chiều' (3DP) được cấp bằng sáng chế bởi Emanuel Sachs và các cộng sự Những phát minh này đã góp phần vào sự phát triển mạnh mẽ của ngành in 3D trong thập niên 90.
5 số lượng các công ty cạnh tranh trong thị trường RP nhưng chỉ còn tồn tại 3 công ty gốc cho tới nay - 3D Systems, EOS và Stratasys
Trong những năm 1990 và đầu những năm 2000, nhiều công nghệ mới đã được ra mắt, chủ yếu tập trung vào các ứng dụng công nghiệp Mặc dù các công nghệ này vẫn chủ yếu phục vụ cho các quy trình ứng dụng mẫu, nhưng chúng đã mở ra nhiều cơ hội trong lĩnh vực công nghiệp.
Các nhà cung cấp công nghệ tiên tiến đang triển khai D cho các dụng cụ cụ thể và ứng dụng sản xuất trực tiếp Sự phát triển này đã dẫn đến sự xuất hiện của những thuật ngữ mới như chạy dao nhanh (RT), khuôn nhanh và sản xuất nhanh (RM).
Trong các hoạt động thương mại, Sanders Prototype (sau Solidscape) và ZCorporation được thành lập vào năm 1996, Arcam được thành lập vào năm
Năm 1997, Objet Geometries đã ra mắt công nghệ in 3D, tiếp theo là sự giới thiệu của MCP Technologies, một nhà máy sản xuất chân không OEM, vào năm 2000 với công nghệ SLM EnvisionTec được thành lập vào năm 2002, và ExOne cũng ra đời trong cùng thời gian này, đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp in 3D.
Năm 2005, Sciaky Inc, một công ty con của tập đoàn Corporation, đã tiên phong trong quá trình sản xuất phụ gia với công nghệ hàn chùm điện tử độc quyền Các công ty này phục vụ cho nhiều doanh nghiệp phương Tây hoạt động toàn cầu Thuật ngữ "sản xuất phụ gia" (AM) đã phát triển cùng với sự gia tăng ứng dụng sản xuất Mặc dù có nhiều tiến bộ công nghệ ở bán cầu phía Đông, những công nghệ này chưa tạo ra ảnh hưởng đáng kể đến thị trường toàn cầu vào thời điểm đó.
Năm 2007, thị trường chứng kiến sự ra đời của hệ thống in 3D đầu tiên có giá dưới 10.000 đô la, tuy nhiên, kết quả đạt được không đáng kể do nhiều yếu tố, bao gồm cả bản chất của hệ thống và ảnh hưởng từ thị trường khác Mục tiêu cao nhất lúc bấy giờ là sở hữu máy in 3D với giá dưới 5.000 đô la, được xem là chìa khóa mở ra công nghệ in 3D cho nhiều đối tượng hơn Mặc dù ít ai nhận ra vào thời điểm đó, năm 2007 thực sự là bước ngoặt cho công nghệ in 3D với sự xuất hiện của hiện tượng RepRap, khi Tiến sĩ Bowyer giới thiệu khái niệm máy in 3D nguồn mở, tự sao chép.
Vào đầu năm 2004, hạt giống cho công nghệ in 3D đã được gieo trồng và phát triển mạnh mẽ bởi nhóm nghiên cứu tại Bath, đặc biệt là Vik Oliver và Rhys Jones Đến năm 2007, các ý tưởng này bắt đầu được hiện thực hóa và thu hút sự chú ý Tháng 1 năm 2009, mẫu máy in 3D thương mại đầu tiên dựa trên khái niệm RepRap, BfB RapMan 3D, đã được giới thiệu Makerbot Industries cũng tham gia vào lĩnh vực này vào tháng 4 năm 2009, mặc dù sau đó họ đã rời bỏ triết lý mã nguồn mở Kể từ đó, nhiều máy in 3D với các tính năng độc đáo đã ra đời, tạo nên một thị trường hoàn toàn mới Điều thú vị là, trong khi hiện tượng RepRap đã thúc đẩy sự phát triển máy in 3D thương mại, cộng đồng này vẫn giữ vững cam kết phát triển mã nguồn mở.
Năm 2012 đánh dấu sự ra mắt của công nghệ in 3D trên thị trường, với B9Creator (sử dụng công nghệ DLP) vào tháng Sáu và Form 1 (sử dụng bản đồ khối) vào tháng Mười Hai, cả hai đều thành công trên nền tảng Kickstarter Đến năm 2014, NASA đã đạt được thành tựu quan trọng khi in 3D một chi tiết (cờ lê) ngay trên trạm vũ trụ, khẳng định tiềm năng của công nghệ này trong các ứng dụng thực tiễn.
Các công nghệ in 3D hiện nay
Hình 1.11 Máy in 3D Fused Deposition Modeling (FDM)
FDM là công nghệ in 3D sử dụng nhựa sợi nóng chảy để bồi đắp vật liệu theo từng lớp Quá trình này diễn ra bằng cách nung chảy nhựa và tạo ra các lớp 2D, sau đó trục z sẽ nâng lên một khoảng bằng độ dày của lớp in, từ đó dần hình thành cấu trúc chi tiết.
Vật liệu in 3D phổ biến như sợi nhựa PLA và ABS mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm chi phí thiết bị và vật liệu thấp, giúp tiết kiệm cho người sử dụng Công nghệ này thường được áp dụng cho các sản phẩm yêu cầu độ cứng cao và khả năng chịu lực tốt Hơn nữa, tốc độ tạo hình 3D cũng rất nhanh, đáp ứng nhu cầu sản xuất hiệu quả.
Nhược điểm của vật liệu này là ít được sử dụng trong lắp ghép do độ chính xác không cao, chủ yếu do sai số từ đường kính sợi nhựa Bên cạnh đó, khả năng chịu lực cũng không đồng nhất, ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng.
Hiện tượng hư hại sản phẩm khi in bằng công nghệ FDM
Cong vênh là một khiếm khuyết phổ biến trong quá trình in 3D FDM, xảy ra khi vật liệu nguội đi và kích thước giảm Sự khác biệt về tốc độ nguội giữa các phần của bản in dẫn đến sự thay đổi kích thước không đồng đều, tạo ra ứng suất bên trong và kéo lớp bên dưới lên trên, gây ra hiện tượng cong vênh Để ngăn ngừa tình trạng này, cần theo dõi chặt chẽ nhiệt độ của hệ thống FDM, bao gồm bàn in và buồng in, đồng thời tăng cường độ bám dính giữa chi tiết và bàn in.
Hình 1.12 Chi tiết bị cong vênh sau in
Độ bám dính giữa các lớp lắng đọng là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng chi tiết FDM, khi nhựa nhiệt dẻo nóng chảy được đùn qua vòi phun và ép vào lớp trước, tạo ra liên kết giữa các lớp Tuy nhiên, độ bền liên kết giữa các lớp thường thấp hơn so với độ bền cơ bản của vật liệu, dẫn đến sự dị hướng trong cường độ của chi tiết FDM, với cường độ trục Z luôn nhỏ hơn cường độ mặt phẳng XY Do đó, cần chú ý đến việc thiết kế phần tâm định hướng Hơn nữa, vật liệu nóng chảy bị biến dạng thành hình bầu dục khi ép vào lớp trước, khiến cho bề mặt của chi tiết FDM luôn có độ gợn sóng, ngay cả khi sử dụng độ dày lớp thấp, và những chi tiết nhỏ như lỗ hoặc mạch có thể cần xử lý sau in.
Cấu trúc hỗ trợ là yếu tố quan trọng trong quá trình tạo hình với phần nhô ra trong công nghệ FDM Nhựa nhiệt dẻo nóng chảy không thể tự lắng đọng trong không khí, do đó, một số hình học yêu cầu phải có cấu trúc hỗ trợ để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Các bề mặt in trên cấu trúc hỗ trợ thường có chất lượng thấp hơn so với các phần khác của chi tiết Do đó, các chi tiết được thiết kế để giảm thiểu nhu cầu sử dụng cấu trúc hỗ trợ.
Cấu trúc hỗ trợ thường được in bằng cùng loại vật liệu như chi tiết chính, tuy nhiên, cũng có vật liệu hỗ trợ hòa tan trong chất lỏng, chủ yếu sử dụng trong máy in 3D FDM công nghiệp hoặc máy in để bàn cao cấp Việc in trên các cấu trúc hỗ trợ tan giúp nâng cao đáng kể chất lượng bề mặt của sản phẩm, nhưng đồng thời cũng làm tăng chi phí tổng thể của quá trình in, do yêu cầu máy chuyên dụng với ép đùn kép và giá thành vật liệu hòa tan tương đối cao.
Độ điền đầy và độ dày lớp viền:
Trong in 3D FDM, các chi tiết thường không được in đặc nhằm giảm thời gian in và tiết kiệm vật liệu Thay vào đó, chu vi bên ngoài được xác lập bằng viền, trong khi bên trong được lấp đầy bằng cấu trúc mật độ thấp, gọi là độ điền đầy Độ điền đầy và độ dày viền có ảnh hưởng lớn đến độ bền của chi tiết Đối với máy in FDM để bàn, cài đặt mặc định cho mật độ lấp đầy là 25% và độ dày viền được thiết lập để tối ưu hóa hiệu suất in.
1 mm, đây là sự hài hòa tốt giữa cường độ và tốc độ để in nhanh
Hình 1.13 Máy in 3D Stereolithography (SLA)
SLA là một công nghệ sử dụng tia laser để đông cứng nguyên liệu lỏng, tạo ra các lớp mặt cắt cho đến khi hoàn thành sản phẩm Quá trình này bắt đầu bằng cách đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, sau đó chùm tia laser di chuyển trên bề mặt nguyên liệu theo hình dạng mặt cắt ngang của sản phẩm, làm cho lớp nguyên liệu cứng lại Bệ đỡ sẽ hạ xuống để tạo ra một lớp mới, và quy trình này tiếp tục lặp lại cho đến khi sản phẩm hoàn tất.
Vật liệu chính được sử dụng trong công nghệ in 3D này là nhựa lỏng Resin, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật Công nghệ SLA cho phép tạo ra các mô hình với độ phân giải cao, sắc nét và chính xác, đáp ứng tốt nhu cầu của người dùng Bên cạnh đó, việc sử dụng nguồn laser giúp tăng tốc độ in, vượt trội hơn so với các công nghệ in khác.
Công nghệ in 3D FDM giúp tiết kiệm nguyên liệu so với các phương pháp gia công truyền thống Nhựa lỏng thừa sau khi in có thể được tái sử dụng cho các lần in tiếp theo, mang lại hiệu quả kinh tế và giảm thiểu lãng phí.
Nhược điểm: Chi phí cho thiết bị và vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời
Hình 1.14 Máy in 3D Digital Light Processing (DLP)
Công nghệ in 3D DLP tương tự như SLA, sử dụng ánh sáng để gia công sản phẩm từ nhựa lỏng quang hóa (Resin) Khi nhựa tiếp xúc với ánh sáng, nó sẽ đông kết thành các lớp rắn mỏng, tạo thành vật thể hoàn chỉnh Mặc dù có nhiều điểm tương đồng, mỗi công nghệ in vẫn có những đặc trưng riêng, do đó người dùng cần lựa chọn công nghệ phù hợp với yêu cầu sản phẩm để đạt hiệu quả tối ưu Khác với SLA, DLP sử dụng một màn hình máy chiếu kỹ thuật số, cho phép đông kết nhựa tại nhiều điểm cùng lúc thông qua các pixel trên màn hình, giúp tăng tốc độ in 3D.
1), vì thế với màn hình này hoàn toàn có thể in ra cả 1 lớp Resin thay vì chỉ in ra được 1 điểm như công nghệ SLA
Độ phân giải tối thiểu của hai phương pháp in 3D SLA và DLP có sự khác biệt rõ rệt Trong khi công nghệ SLA sử dụng chùm tia sáng hình tròn, thì DLP lại số hóa ánh sáng theo pixel, với mỗi pixel là một đơn vị ánh sáng nhỏ nhất.
Ở cấp độ vi mô, hai phương pháp này sẽ tạo ra những biên dạng khác nhau, mỗi phương pháp sẽ có những ưu thế riêng biệt.
Về thời gian in: công nghệ DLP có thời gian in ngắn hơn nhiều so với SLA, vì chúng có khả năng kết tinh đồng loạt 1 lớp resin
Vật liệu ứng dụng trong công nghệ in 3D
Vật liệu dùng trong in 3D có thể chia thành 3 nhóm chính: vật liệu polymer; kim loại và các loại vật liệu khác
Có thể kể đến như nhựa ABS, nhựa PLA, PP, Resin v.v… mỗi loại vật liệu này cũng đều có những đặc tính riêng Ví dụ như: a Sợi nhựa ABS
Nhựa ABS là một vật liệu tổng hợp được chiết xuất từ dầu mỏ, phổ biến trong công nghệ in 3D FDM Với độ bền cao, khả năng chịu lực tốt, chịu nhiệt và tính linh hoạt, nhựa ABS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất ống cống, ống chất thải, linh kiện ô tô và dụng cụ nhà bếp.
PLA là loại nhựa nhiệt dẻo phân huỷ sinh học được sản xuất từ các nguồn tái tạo như bột ngô, mía và củ sắn Với đặc tính ban đầu là màu trong suốt, PLA dễ dàng được nhuộm thành nhiều màu sắc và sắc độ khác nhau.
Nhựa PLA là một lựa chọn phổ biến cho in 3D, tuy không bền và dẻo như nhựa ABS, nhưng lại cứng và khỏe hơn, điều này có thể gây khó khăn trong việc chế tác các chi tiết lồng ghép như khớp nối Ngoài ra, vật liệu này cũng có khả năng phát sáng trong bóng tối, tạo thêm hiệu ứng thú vị cho sản phẩm.
Resin là một loại nhựa tổng hợp phổ biến trong công nghệ in SLA, khác với ABS và PLA thường dùng trong công nghệ FDM Có nhiều loại resin, nhưng chủ yếu là những loại có khả năng ngưng kết dưới tác động của tia UV, bao gồm acrylics, epoxies, urethanes, polyesters và silicones.
1.3.2 Kim loại Đặc điểm của nhóm vật liệu này là thường được xử lý ở dạng bột, khi in ra thành phẩm có độ cứng và độ bền cao, có thể sử dụng trực tiếp Một số vật liệu in 3D kim loại phổ biến có thể kể đến như: nhôm (alunium), dẫn xuất cacbon, thép không gỉ, vàng, bạc ( là vật liệu in 3D được sử dụng trong máy in 3D nữ trang), titanium…
1.3.3 Các loại vật liệu khác
Trong công nghệ in 3D, ngoài nhựa và kim loại, còn có nhiều loại vật liệu khác được sử dụng như socola và đường kính cho thực phẩm, đất sét cho sản xuất thủ công mỹ nghệ, cùng với mô và tế bào trong in 3D sinh học.
Mặc dù các vật liệu in 3D hiện tại còn hạn chế trong ứng dụng công nghệ, nhưng chúng đang được nghiên cứu và phát triển liên tục trên toàn thế giới Trong tương lai gần, sự đa dạng của các loại vật liệu này sẽ gia tăng, đáp ứng nhiều nhu cầu sử dụng khác nhau của con người.
Các nghiên cứu về vật liệu compozit trong in 3D trên thế giới
Công nghệ in 3D, với ứng dụng đa dạng và hiệu quả trong công nghiệp và đời sống, luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học Họ đang nghiên cứu nhằm phát triển các vật liệu và tính chất mới, đáp ứng các yêu cầu khắt khe trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau Dưới đây là những kết quả nghiên cứu gần đây về vật liệu và công nghệ in FDM.
Ebubekir ÇANTI và các cộng sự đã nghiên cứu phương pháp chế tạo và đặc tính của vật liệu compozit cho công nghệ FDM Nghiên cứu sử dụng các hạt nano và micro với các tính chất khác nhau như mật độ, diện tích bề mặt, độ tinh khiết và hình thái làm hạt gia cố để sản xuất sợi tổng hợp polymer cho in 3D Vật liệu nền là Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), trong khi các vật liệu gia cường bao gồm ống nano carbon đa tường (MWCNTs), SiO2, ZrB2 và Al Sợi tổng hợp được sản xuất bằng máy đùn trục vít đôi Kết quả cho thấy việc bổ sung hạt vào nền ABS cải thiện độ bền kéo tối đa của vật liệu khoảng 16%, trong đó độ giãn của các hạt vi mô ZrB2 và Al tăng lần lượt 17,8% và 40%.
Sợi tổng hợp ABS gia cố hạt nano và micro cho máy in 3D FDM được sản xuất qua máy đùn trục vít đôi ở nhiệt độ 175°C - 210°C mà không làm suy giảm tính chất của hỗn hợp ma trận Các nghiên cứu DSC cho thấy sợi này tương thích với máy in 3D thương mại nhờ vào nhiệt độ hóa thủy tinh (Tg) thấp hơn, tối đa 130°C cho MWCNTs/ABS nanocompozit, so với nhiệt độ xử lý tiêu chuẩn 230°C Chỉ số dòng chảy Melt (MFI) cần được áp dụng cho polyme composite để xác định nhiệt độ xử lý chính xác Việc thêm hạt siêu nhỏ như hợp kim ZrB2 và Al đã làm tăng độ bền kéo ít nhất 18% Kết quả EDS cho thấy hạt micro được phân bố tốt trong nền ABS, trong khi hạt nano có sự kết tụ cục bộ và khoảng trống bên trong Cấu trúc vi mô SEM chỉ ra sự gãy giòn của sợi ABS gia cố MWCNTs, do tương tác yếu giữa polymer và MWCNTs Để đạt được phân tán tốt của hạt gia cố trong nền ABS, các sợi nanocompozit cần được làm trong chu trình kép (fabricated-granulated) trong quá trình ép đùn.
H Kürşad Sezer và Oğulcan Eren, [2] đã nghiên cứu tính chất cơ điện của vật liệu nano composite nền ABS gia cố bằng ống nano cacbon đa thành MWCNT (H Kürşad Sezer và Oğulcan Eren, 2019) Nghiên cứu bao gồm việc
Nghiên cứu thiết lập quy trình chế tạo vật liệu tổng hợp ABS cốt MWCNTs với tỷ lệ lên tới 10% trọng lượng, phù hợp cho in 3D FDM thương mại Việc thử nghiệm in 3D được thực hiện với phân lớp tuyến tính và chéo nhằm cải thiện các tính chất cơ và điện của vật liệu Các MWCNTs mỏng, có đường kính trung bình 9,5nm, chiều dài trung bình 1,5 μm và diện tích bề mặt từ 250-300 m2/g, được sản xuất với độ tinh khiết 90% carbon thông qua phương pháp lắng đọng hơi carbon xúc tác (CCVD).
Một máy đùn micro vít đôi (DSM Xplore) đã được sử dụng để ghép ABS với MWCNTs, với tốc độ trục vít duy trì ở 100 vòng/phút và nhiệt độ máy đùn ở 240°C để đảm bảo sự nóng chảy và trộn hoàn toàn mà không làm suy giảm ABS Thời gian trộn tổng cộng là 5 phút và các mẫu hỗn hợp nano MWCNT/ABS được chuẩn bị với các khối lượng khác nhau của MWCNT (1%, 3%, 5%, 7% và 10%) Hỗn hợp ABS gia cố bằng MWCNTs sau đó được xử lý trong một máy đùn trục vít đơn (Wellzoom C) để tạo ra các sợi có đường kính 1,7 mm, phù hợp với máy in 3D FDM Hỗn hợp dạng hạt được gia nhiệt đến 220°C và được đùn ở tốc độ 2000-2200 mm/phút thành dạng sợi ở 235°C, sau đó các sợi tổng hợp chứa MWCNTs được sử dụng để in sản phẩm bằng công nghệ in 3D FDM.
Nghiên cứu cho thấy rằng độ bền kéo, mô đun Young và độ giãn dài của các mẫu hỗn hợp nano MWCNTs/ABS thay đổi đáng kể theo tỷ lệ phần trăm trọng lượng của MWCNTs trong nền ABS và góc raster Cụ thể, với góc raster [0, 90], độ bền kéo cuối cùng (UTS) giảm nhẹ xuống 40 MPa ở mẫu 1% MWCNTs, nhưng sau đó tăng lên 58 MPa khi tỷ lệ MWCNTs đạt 7%.
Sự giảm ban đầu của UTS có thể do độ bám dính không đúng cách giữa nền ABS và cốt MWCNTs Hiệu ứng tiêu cực này được khắc phục khi đạt ngưỡng 3% MWCNT UTS tiếp tục được cải thiện khi tăng tỷ lệ MWCNT lên tới 7% trọng lượng, nhờ vào các tính chất cơ học vượt trội và tỷ lệ khung hình cao kết hợp với diện tích bề mặt riêng (SSA) lớn của MWCNTs Việc khai thác giao diện cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao các tính chất này.
Sự phân tán của các ống nano carbon (CNT) và độ bám dính giữa chúng với ma trận ABS là những yếu tố quan trọng trong việc phát triển vật liệu tổng hợp nano.
Hình 1.18 Ứng suất, mô đun đàn hồi, độ giãn dài của các mẫu
Các MWCNTs được phân tán đồng nhất trong nền polyme ABS, và kết quả kiểm tra độ bền kéo cho thấy rằng các mẫu có tỷ lệ MWCNT cao hơn có độ bền cơ học tốt hơn so với các mẫu có tỷ lệ thấp hơn Định hướng raster cũng có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học của vật liệu Để tối ưu hóa hiệu suất độ bền cơ học, việc chức năng hóa ABS trống cho tổ hợp MWCNT/polymer là cần thiết nhằm tăng cường liên kết giữa nền và cốt hạt Ngoài ra, mức độ liên kết cao của MWCNTs với hướng tải là quan trọng, vì góc raster [-45, 45] dẫn đến tính chất cơ học kém hơn rõ rệt.
Quang phổ Raman đã được sử dụng để nghiên cứu trạng thái liên kết giữa polyme ABS và MWCNTs trong các mẫu hỗn hợp nano Các phép đo được thực hiện bằng máy quang phổ Raman (WiTec, Đức) với máy quét Piezo, sử dụng nguồn laser kích thích là laser trạng thái rắn có bước sóng 785nm.
23 kết hợp máy dò thiết bị kết hợp điện tích (CCD) được làm mát hoạt động ở 60°C Tất cả các phép đo được thực hiện ở nhiệt độ phòng
Phổ Raman của vật liệu tổng hợp ABS và MWCNTs/ABS cho thấy sự thay đổi cường độ ánh sáng tán xạ từ mẫu ABS trống, với đỉnh đặc trưng tại 1352 cm -1 dịch chuyển xuống 1329 cm -1, 1322 cm -1, 1324 cm -1 và 1297 cm -1 tương ứng với các mẫu chứa 1%, 3%, 5% và 7% MWCNT Sự dịch chuyển này liên quan đến tỷ lệ tăng của MWCNTs trong mẫu và ảnh hưởng của chúng đến các phân tử ABS Kết quả cho thấy độ bền kéo của các mẫu có tỷ lệ MWCNT cao hơn rõ ràng mạnh hơn, với sự phân bố đồng nhất của MWCNTs trong nền polymer ABS được xác nhận qua hình ảnh SEM Điều này cho thấy định hướng raster có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học của vật liệu, được củng cố bởi kết quả từ quang phổ Raman.
Hình 1.19 Phổ Raiman của các mẫu
24 Độ dẫn điện của vật liệu nền ABS cốt MWCNTs phụ thuộc vào thành phần MWCNT Giá trị độ dẫn điện cao nhất đạt được với mẫu 10% MWCNTs là
Giá trị MFI của mẫu này giảm đáng kể, đạt 0,03 g/10 mm, cho thấy khả năng chảy của vật liệu kém Khi sử dụng sợi có tỷ lệ cốt hạt MWCNT cao hơn, nguy cơ tắc vòi phun trong quá trình in 3D sẽ gia tăng.
Hình 1.20 Ảnh tổ chức của mẫu
Matthew R Skorski và cộng sự đã nghiên cứu các tính chất hóa học, cơ học và vật lý của vật liệu nano composites TiO2-ABS trong in 3D Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc mở rộng khả năng hóa học của các vật thể in 3D bằng máy nhiệt dẻo kim loại thông qua việc sản xuất và in các sợi polymer chứa hạt nano vô cơ TiO2 được phân tán trong acrylonitrile butadiene styren (ABS) và được đùn thành sợi có đường kính 1,75 mm với các thành phần 1%, 5% và 10% TiO2 (kg/kg) Kết quả thí nghiệm cho thấy sự có mặt của TiO2 chỉ gây suy biến nhỏ cho ABS, đồng thời các tính chất cơ học của vật liệu được đo lường và phân tích.
Nghiên cứu cho thấy rằng 25 vật liệu compozit có tính biến dạng và modul đàn hồi tương tự như polymer nguyên chất Sự kết hợp TiO2 ở mức 1% có tác động tiêu cực đến ứng suất tại điểm phá hủy và ứng suất uốn Ngược lại, các cấu trúc từ vật liệu nano ở nồng độ 5 và 10% cho thấy ứng suất điểm phá hủy cao hơn so với polymer nguyên chất Tuy nhiên, TiO2 trong nền in có thể làm mất đi sự phát quang của polymer Hơn nữa, TiO2 có khả năng photocatalyze, dẫn đến sự phân hủy của rhodamine 6G trong dung dịch Những thí nghiệm này chứng minh khả năng phản ứng hóa học của vật liệu nano được in bằng máy in 3D thương mại.
Hình 1.21.Sự thay đổi của nhiệt độ thủy tinh hóa, ứng suất khi thay đổi thành phần titan oxit
Tình hình phát triển công nghệ in 3D trong nước
Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D đã trở thành một phần quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 PGS Nguyễn Xuân Chánh đã giới thiệu hệ thống công nghệ này qua cuốn sách “Công nghệ in 3D đã đột phá vào mọi ngành nghề” Cuốn sách không chỉ trình bày lịch sử phát triển và các phương pháp cơ bản của công nghệ in 3D, mà còn nêu bật sự đột phá của nó trong nhiều lĩnh vực như hàng không vũ trụ, kiến trúc, y tế, quân sự, điện tử, hóa học, khảo cổ học và thời trang Tác giả cũng đề cập đến các cuộc cách mạng công nghiệp trong lịch sử và nhấn mạnh vai trò cốt lõi của công nghệ in 3D trong các cuộc cách mạng lần thứ 3 và 4 đang diễn ra mạnh mẽ hiện nay.
Vào năm 2019, nhóm sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội đã giành giải nhất trong cuộc thi "Học sinh, sinh viên với ý tưởng khởi nghiệp" với dự án "Ứng dụng công nghệ 3D chế tạo sản phẩm phục vụ y tế, giáo dục" Ý tưởng này nảy sinh từ việc nhóm nghiên cứu nhận thấy nhu cầu cao của người dân Việt Nam trong việc ghép và thay thế xương bị hỏng do ung thư hoặc tai nạn giao thông Tuy nhiên, các mảnh xương làm từ sứ hoặc titan có sẵn tại bệnh viện lại không đáp ứng đủ nhu cầu này.
Nhóm nghiên cứu đã tìm ra giải pháp thay thế xương hỏng bằng nhựa sinh học peek, khắc phục nhược điểm của các phương pháp truyền thống thường nặng nề và thiếu tính thẩm mỹ Xương từ nhựa peek không chỉ nhẹ và bền mà còn được thiết kế riêng cho từng bệnh nhân, đảm bảo tính thẩm mỹ cao Hợp tác với Bệnh viện Đại học Y Hà Nội, nhóm đã thành công trong việc ghép 10 mảnh xương cho 10 bệnh nhân, mở ra hướng đi mới trong điều trị.
Công nghệ in 3D tại Việt Nam đang đối mặt với vấn đề thiếu hụt vật liệu, mặc dù máy in đã trở nên rẻ hơn Theo bài viết của tác giả Phạm Sơn trên Tạp chí khám phá điện tử năm 2018, phần lớn sản phẩm in 3D hiện nay chủ yếu là mỹ thuật, trong khi sản phẩm cho công nghiệp còn hạn chế Nguyên nhân chính không phải do công nghệ hay thiết bị, mà là do yêu cầu khắt khe về vật liệu trong sản xuất công nghiệp, ảnh hưởng đến độ phức tạp, độ chính xác và tốc độ in Thêm vào đó, thông tin về công thức và thông số của các vật liệu này thường được giữ bí mật, và máy in tương thích với chúng có giá thành cao Điều này tạo ra cả thách thức và cơ hội cho các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực in 3D tại Việt Nam.
Kết luận
Chương 1 đã trình bày tổng quan về in 3D, các công nghệ in 3D, các loại vật liệu in 3D và các công trình nghiên cứu về vật liệu compozit trong in 3D bằng công nghệ FDM hiện nay Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu compozit tạo nên một số tính chất nổi trội hơn so với vật liệu thông thường Cơ tính sau in được cải thiện đáng kể, các tính chất cơ, nhiệt, điện từ được tăng cường khi thêm một số loại cốt ở một vài tỷ lệ nhất định
Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế trong việc sử dụng cốt trong nền nhựa, như khả năng phân tán không đồng đều và nguy cơ tắc vòi in do các hạt kim loại Bên cạnh đó, nhiều loại vật liệu cốt có tính chất ưu việt vẫn chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng Đặc biệt, theo tài liệu hiện có, chưa có công trình nghiên cứu nào trong nước liên quan đến việc chế tạo sợi compozit nền nhựa với các loại cốt khác nhau.
Nội dung luận văn sẽ trình bày phương pháp tổng hợp sợi composite từ nền polypropylene (PP) và cốt hạt TiH2, phục vụ cho công nghệ in 3D FDM Bên cạnh đó, luận văn cũng sẽ đánh giá cấu trúc và tính chất của sợi ép đùn để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu trong quá trình in 3D.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Vật liệu
Hình 2.1 Bột TiH 2 cung cấp thương mại
Bột (có kích thước khoảng 300 nm ) màu đen với độ tinh khiết 99% được cung cấp thương mại như trên hình 2.1
▪ Công thức hóa học TiH2
▪ Khối lượng phân tử 49.88 g/mol (TiH2)
▪ Dạng bột Bột màu đen (dạng thương mại)
▪ Nhiệt độ nóng chảy Khoảng 350℃ , 623 K)
Độ hòa tan trong nước của chất này là không hòa tan Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như gốm sứ, pháo hoa, thiết bị thể thao, và còn được sử dụng làm chất thử trong phòng thí nghiệm, chất thổi, cũng như tiền chất cho titan xốp Khi nung nóng cùng với các kim loại khác trong quy trình luyện kim bột, chất này phát huy được nhiều công dụng hữu ích.
35 titan hydride giải phóng hydro, có tác dụng loại bỏ carbon và oxy, tạo ra một hợp bền
Hình 2.2 Nhựa Polypropylene thương mại
Nhựa PP (viết tắt của Polypropene) là loại sản phẩm nhựa polymer của phản ứng trùng hợp Propylen Các hạt nhựa PP thương mại đã được chuẩn bị
● Tỷ trọng: PP vô định hình: 0,85 g/cm 3
● Độ chịu va đập: 3,28 – 5,9 kJ/m 2
● Nhiệt độ nóng chảy: ~ 165 o C Đặc tính:
Vật liệu này có tính bền cơ học cao, bao gồm bền xé và bền kéo đứt, đồng thời khá cứng vững và không bị kéo giãn dài, cho phép chế tạo thành sợi Tuy nhiên, nó dễ bị xé rách khi có vết cắt hoặc thủng nhỏ.
▪ Trong suốt, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao cho bao bì, nét in rõ
▪ Không màu không mùi, không vị, không độc
▪ Cháy sáng với ngọn lửa màu xanh nhạt, có dòng chảy dẻo, có mùi cháy gần giống mùi cao su
▪ Chịu được nhiệt độ cao hơn 130 o C, có thể tái sử dụng
▪ Có tính chất chống thấm oxy, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác
Độ bền hóa học của polypropylene (PP) làm cho vật liệu này trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng, đặc biệt trong ngành y tế, nơi các thùng chứa bằng polypropylen được sử dụng để lưu trữ các chất mà không gây ô nhiễm.
Ngành công nghiệp ô tô đang tận dụng polypropylen (PP) để sản xuất cản xe, nhờ vào khả năng chịu va đập và bầm tím mà không bị vỡ Việc sử dụng PP không chỉ giúp tạo ra các bộ phận hiệu quả mà còn mang lại độ bền cao Bên cạnh đó, tính chất của PP cũng làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng trong sản xuất đồ chơi.
Chai sữa làm bằng polypropylene (PP) được FDA chấp thuận, đảm bảo tính an toàn cho ngành bao bì Vật liệu này không chỉ bền mà còn có giá thành rẻ, đồng thời phương thức uốn của nó giúp ngăn ngừa tình trạng vỡ khi mở và đóng chai.
Chuyển sang sử dụng Polypropylen không chỉ mang lại lợi ích cho môi trường mà còn giúp giảm thiểu chất thải Các sản phẩm từ Polypropylen có thể được tái chế nhiều lần, góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.
Thiết bị thí nghiệm
2.2.1 Thiết bị ép đùn Để chế tạo sợi một máy ép đùn trục vít đơn có điều khiển nhiệt độ hiển thị số được sử dụng
Hình 2.3 Máy đùn trục vít đơn
Nhựa ép đùn: ABS, PLA, PC, PP, PETG và WAX
▪ Đầu đùn: 2.85mm hoặc 1.75mm
▪ Tốc độ đùn: khoảng 40cm/phút
▪ Kích thước sợi: 2.85mm hoặc 1.75mm
▪ Nguyên liệu đầu vào kích thước: dạng bột hoặc viên
▪ Trục vít: tỉ lệ L/D, không thể tháo dời
▪ Kích thước 45,75cm x 17,78cm x 22,86cm
▪ Nguồn điện cung cấp:220 VAC, 50/60 Hz
Một cân tiểu ly với cấp chính xác 0,01g được dùng để cân nguyên liệu phối trộn ban đầu
Hình 2.4 Cân tiểu ly với cấp chính xác 0.01g
2.2.3 Thiết bị thử cơ tính Để nghiên cứu tính chất cơ học, các mẫu thử kéo được chuẩn bị là sợi có đường kính 1,75mm (± 0,1mm) sử dụng máy kéo DEVOTRANS 5 tấn (model máy FU/R, số seri 171122 CKS) của Viện công nghệ, Tổng cục công nghiệp quốc phòng
▪ Điện áp hoạt động: 220/380 V, 50 Hz
▪ Tiêu thụ năng lượng: 7,5 KVA
▪ Màn hình hiển thị cảm ứng
▪ Hướng chuyển động: Lên trên trong kiểm tra độ bền kéo
▪ Đơn vị: Newton, Kg hoặc Mpa
▪ Khoảng vận tốc: 0,002 - 250 hoặc 0,002 - 500 mm / phút
▪ Kết nối máy tính và máy in
Hình 2.5 Máy thử cơ tính DEVOTRANS
2.2.4 Thiết bị xác định cấu trúc
Hình 2.6 Kính hiển vi quang học kỹ thuật số VHX 7000
Thiết bị được sử dụng ở đây là kính hiển vi điện tử số VHX 7000
▪ Camera Độ phân giải cao, độ chính xác cao
▪ Màn hình hiển thị LCD LCD màu (loại IPS), 27inch, 596,736
▪ Dung lượng lưu trữ 1 TB (bao gồm cả dung lượng hệ thống dự trữ 350 GB)
▪ Định dạng ảnh JPEG (có nén), TIFF (không nén)
Kích thước 625 (W) × 460 (H) × 180 (D) mm (khi lưu trữ) (không bao gồm vùng được chiếu)
▪ Nguồn điện cung cấp 100 đến 240 VAC ±10%, 50/60 Hz
▪ Trọng lượng Xấp xỉ 13kg
▪ Giao diện USB 2.0 seri A: 6 cổng
2.2.5 Thiết bị xác định chuyển biến nhiệt vi sai
40 Để đo nhiệt vi sai của các mẫu một máy DSC 7020 nhãn hiệu EXSTAR đã được sử dụng
Hình 2.7 Máy DSC 7020 Đặc tính máy:
Mô hình DSC7020 là một thiết bị đa năng cao cấp, nổi bật với độ nhạy và độ phân giải cao, giúp tăng phạm vi đo lên gấp 3.5 lần so với các công cụ hiện có, đồng thời cải thiện đáng kể hiệu suất cơ bản.
DSC7020 là thiết bị lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm việc đo lường và phân tích các quá trình thay đổi trao đổi chất nhỏ với mẫu khối lượng thấp Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành như gốm, sứ, kim loại, nhựa và compozit.
▪ Dải nhiệt độ cài đặt: (-150) - 725
▪ Lượng mẫu phân tích khi chọn them bộ lấy mẫu tự động: 50 mẫu
Trình tự thí nghiệm
Hình 2.8 Qui trình chế tạo sợi compozit nền polyme 2.3.1 Chế tạo sợi
Chúng tôi đã tiến hành đánh giá tác động của phần cốt và nhiệt độ đùn đến cấu trúc và tính chất của các mẫu sợi bằng cách chuẩn bị các hỗn hợp TiH2 và PP với các tỷ lệ % khối lượng khác nhau, như được trình bày trong bảng 2.1, nhằm chế tạo các mẫu sợi có đường kính 1,75 ± 0,1 mm.
Bảng 2.1 Tỷ lệ phần trăm khối lượng nền nhựa PP, cốt TiH 2 và nhiệt độ đùn
Các bước tạo thành của sợi được thực hiện như phía dưới:
Mục đích của việc trộn cơ học là để các hạt bột TiH2 bám đều trên bề mặt hạt nhựa PP, tạo sự đồng đều giữa chúng Quá trình này sẽ được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ bằng cách sử dụng các thiết bị như cân tiểu ly có độ chính xác 0.01g, khay và thìa kim loại.
Quá trình trộn gia nhiệt-đùn diễn ra qua ba lần để đảm bảo sự đồng đều của hỗn hợp nhựa và vật liệu cốt Trong lần đầu tiên, hỗn hợp được đưa vào máy đùn trục vít đơn ở nhiệt độ 175 ͦ C, nơi trục vít tạo áp lực và đẩy hỗn hợp ra dưới dạng sợi nhựa Sản phẩm sau lần trộn đầu tiên được cắt nhỏ để tiếp tục cho lần trộn thứ hai, và quy trình này lặp lại cho lần trộn thứ ba Mục đích của hai lần trộn đầu tiên là làm đồng đều sự phân bố của cốt trong nhựa, trong khi lần trộn thứ ba tập trung vào việc kiểm soát đường kính sợi thành phẩm, cần thiết cho máy in 3D FDM Tốc độ đùn được duy trì ở 33mm/phút với nhiệt độ ổn định ở 175 ͦ C, đảm bảo nhựa PP không bị thoái hóa và đạt được đường kính sợi 1,75mm (± 0,1mm).
Quá trình sản xuất sợi cho máy in 3D FDM yêu cầu đảm bảo đường kính sợi đồng đều trong suốt quá trình kéo Sau khi kéo, sợi sẽ được kiểm tra về cơ và nhiệt để đảm bảo tính chất vượt trội hơn so với sợi nhựa nguyên chất, phù hợp hoàn hảo với máy in 3D.
Hình 2.9 Mô hình máy đùn trục vít đơn 2.3.2 Thí nghiệm đánh giá tính chất vật liệu in
❖ Phân tích nhiệt quét vi sai-DSC (Differential Scanning Calorimetry)
Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) cho phép so sánh nhiệt độ chuyển biến của vật liệu compozit với nhựa thông thường, từ đó đánh giá tính chất của chúng và xác định điều kiện nhiệt độ tối ưu cho máy in Thí nghiệm này được thực hiện bằng máy DSC để đảm bảo độ chính xác trong kết quả.
7200 Mẫu thí nghiệm được chuẩn bị là mẫu 1%, 3%, 4% TiH2 với khối lượng đủ , khay đựng và đối trọng là đĩa nhôm trống Nhiệt độ được nâng từ 24 ͦ C lên đến
230 ͦ C với tốc độ nâng nhiệt 10 độ/phút, Giữ nhiệt trong khoảng thời gian 5 phút Quá trình được thực hiện trong điều kiện khí nito trơ
❖ Hiển vi quang học kỹ thuật số
Mục đích của hiển vi quang học kỹ thuật số là kiểm tra sự phân tán của cốt bên trong nền Kính hiển vi VHX 7000 tại phòng thí nghiệm C1-307, Đại học Bách Khoa Hà Nội, được sử dụng để quan sát các mẫu 2% và 3% TiH2 Trước khi tiến hành quan sát, mẫu thí nghiệm (sợi được đùn) được xử lý bằng cách đổ epoxy, mài và đánh bóng.
Để nghiên cứu tính chất cơ học, mẫu thử kéo được chuẩn bị là sợi có đường kính 1,75mm (± 0,1mm), sử dụng máy kéo DEVOTRANS (model FU/R, số seri 171122 CKS) của viện công nghệ, tổng cục công nghiệp quốc gia.
44 phòng Các mẫu 0%, 2%, 3%, 4% và 6% TiH2 được dùng để kiểm tra Mẫu chuẩn bị có chiều dài 400 mm, chiều dài vùng khảo sát 100 mm và được gá bằng
2 quả lô như hình 2.10 Tốc độ kéo được đặt là 100mm/phút
Hình 2.10 Mẫu thử kéo được gá vào máy thông qua hai quả lô gá mẫu
Kết luận
Chương 2 đã đưa ra được thông số cơ bản của vật liệu đầu vào và thiết bị thí nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu Cũng như đưa ra được các bước cơ bản trong quy trình thí nghiệm nhằm chế tạo sợi compozit in 3D trong công nghệ FDM
Để đánh giá các tính chất của sợi, cần thực hiện các thí nghiệm và điều kiện cụ thể Kết quả của các thí nghiệm và đánh giá sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3.
