Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D, hay còn gọi là công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing - AM), đã trở thành một trong những bước tiến quan trọng của cách mạng công nghiệp hiện đại. Theo ước tính, tốc độ phát triển của công nghệ in 3D ngày càng nhanh, với nhiều ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực như công nghiệp, y tế, kiến trúc, và giáo dục. Trong số các công nghệ in 3D, công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (Digital Light Processing - DLP) nổi bật với khả năng đáp ứng yêu cầu về tốc độ in, độ chính xác và bề mặt sản phẩm láng mịn. Tuy nhiên, chất lượng cơ tính của sản phẩm in bằng công nghệ DLP, đặc biệt là độ bền kéo, vẫn còn nhiều hạn chế cần được nghiên cứu và cải tiến.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số in 3D trong công nghệ DLP đến độ bền kéo của sản phẩm ngành kỹ thuật cơ khí. Các thông số chính được khảo sát gồm độ dày lớp in, thời gian phơi sáng và góc hình thành sản phẩm. Mục tiêu cụ thể là xác định các thông số tối ưu nhằm nâng cao độ bền kéo của sản phẩm in 3D theo tiêu chuẩn ASTM D-638. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2020, sử dụng nhựa lỏng Anycubic làm vật liệu in và máy in 3D công nghệ DLP.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D, góp phần giảm chi phí và thời gian sản xuất, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ DLP trong các ngành công nghiệp chế tạo máy và sản xuất sản phẩm nhựa kỹ thuật. Việc xác định vùng thông số công nghệ phù hợp sẽ giúp các cơ sở sản xuất áp dụng hiệu quả công nghệ in 3D DLP, nâng cao tính cạnh tranh và hiệu quả kinh tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing - AM): Là quá trình tạo vật thể 3D bằng cách đắp chồng từng lớp vật liệu theo dữ liệu thiết kế CAD. Công nghệ này giúp tạo ra sản phẩm có độ phức tạp cao với chi phí và thời gian thấp hơn so với phương pháp truyền thống.

  • Công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (Digital Light Processing - DLP): Sử dụng máy chiếu kỹ thuật số để chiếu ánh sáng LED UV lên nhựa photopolymer, đóng rắn từng lớp vật liệu đồng thời tạo ra sản phẩm với độ chính xác cao và bề mặt mịn. DLP khác với SLA ở chỗ chiếu toàn bộ lớp cùng lúc thay vì điểm laser.

  • Nguyên lý đóng rắn nhựa epoxy bằng tia UV: Nhựa lỏng chứa các thành phần photopolymer sẽ đóng rắn khi tiếp xúc với ánh sáng UV, tạo thành vật thể rắn chắc. Quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học của sản phẩm in.

  • Tiêu chuẩn ASTM D-638: Tiêu chuẩn quốc tế dùng để thiết kế mẫu thử kéo nhằm đánh giá độ bền kéo của vật liệu nhựa.

Các khái niệm chính bao gồm: độ dày lớp in, thời gian phơi sáng, góc hình thành sản phẩm (góc alpha và beta), độ bền kéo (MPa), và phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mẫu in 3D được chế tạo bằng máy in Anycubic LCD photon sử dụng công nghệ DLP với vật liệu nhựa lỏng Anycubic UV Resin. Các mẫu được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM D-638.

  • Phương pháp chọn mẫu: Sử dụng phương pháp thí nghiệm đơn yếu tố để khảo sát ảnh hưởng từng thông số (độ dày lớp D, thời gian phơi sáng t, góc alpha α và góc beta β) đến độ bền kéo. Sau đó, chọn hai thông số có ảnh hưởng lớn nhất (độ dày lớp và góc beta) để thực hiện thí nghiệm đa yếu tố nhằm xác định vùng thông số tối ưu.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng máy thử kéo nén vạn năng 1000PC để đo độ bền kéo của mẫu. Dữ liệu thu thập được phân tích bằng phương pháp ANOVA để đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thông số. Mô hình hồi quy được xây dựng để biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số và độ bền kéo.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong năm 2020, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế thí nghiệm, in mẫu, thử nghiệm kéo, phân tích dữ liệu và tối ưu hóa thông số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ dày lớp in (D) đến độ bền kéo: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố cho thấy độ dày lớp có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo. Khi giảm độ dày lớp từ khoảng 0.1 mm xuống 0.039 mm, độ bền kéo tăng từ khoảng 23 MPa lên đến 34 MPa, tương đương tăng khoảng 48%. Biểu đồ thể hiện xu hướng tăng độ bền kéo khi giảm độ dày lớp được trình bày rõ ràng.

  2. Ảnh hưởng của góc beta (β) đến độ bền kéo: Góc beta cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền kéo. Thí nghiệm cho thấy khi góc beta tăng từ 0° đến khoảng 42°, độ bền kéo tăng đáng kể, đạt giá trị tối ưu 34 MPa tại góc 42.5°. Phân tích ANOVA xác nhận góc beta có ảnh hưởng lớn với mức ý nghĩa thống kê cao.

  3. Thời gian phơi sáng (t) và góc alpha (α) có ảnh hưởng thấp hơn: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố cho thấy thời gian phơi sáng và góc alpha không ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo trong phạm vi khảo sát, với sự biến đổi độ bền kéo dưới 10%.

  4. Mô hình hồi quy và tối ưu hóa: Phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa độ bền kéo BK (MPa), độ dày lớp D (mm) và góc beta β (độ) được xác định là:

[ BK = 26.001405 \times \beta^2 ]

Tối ưu hóa mô hình cho thấy thông số tối ưu đạt được khi độ dày lớp D = 0.039155 mm và góc beta β = 42.4755°, với độ bền kéo tối đa BK = 34 MPa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến độ dày lớp ảnh hưởng mạnh đến độ bền kéo là do lớp mỏng hơn giúp tăng cường liên kết giữa các lớp vật liệu, giảm thiểu khuyết tật và lỗ rỗng bên trong sản phẩm. Góc beta ảnh hưởng đến cấu trúc phân bố ứng suất trong mẫu, góc tối ưu giúp phân bố lực kéo đều hơn, giảm nguy cơ đứt gãy sớm.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo cho thấy độ dày lớp khoảng 0.05 mm là tối ưu cho công nghệ DLP, đồng thời góc xây dựng ảnh hưởng đến tính chất cơ học của sản phẩm. Kết quả này cũng bổ sung thêm kiến thức về ảnh hưởng của góc beta, một yếu tố ít được nghiên cứu trước đây.

Việc trình bày dữ liệu qua biểu đồ ảnh hưởng của từng thông số và bảng phân tích phương sai giúp minh bạch và dễ dàng đánh giá mức độ ảnh hưởng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp các nhà sản xuất lựa chọn thông số phù hợp để nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D bằng công nghệ DLP.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa độ dày lớp in: Khuyến nghị sử dụng độ dày lớp khoảng 0.039 mm để đạt độ bền kéo tối ưu. Các nhà sản xuất cần điều chỉnh máy in và phần mềm để đảm bảo độ dày lớp ổn định trong quá trình in.

  2. Điều chỉnh góc beta trong thiết kế: Thiết kế sản phẩm và quá trình in nên ưu tiên góc beta khoảng 42° để tối ưu hóa phân bố ứng suất và tăng độ bền kéo. Việc này có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh hướng đặt mẫu trên bàn in.

  3. Kiểm soát thời gian phơi sáng hợp lý: Mặc dù thời gian phơi sáng không ảnh hưởng lớn đến độ bền kéo, nhưng cần duy trì trong khoảng 6-10 giây để đảm bảo nhựa đóng rắn hoàn toàn, tránh hiện tượng chưa đóng rắn gây giảm chất lượng.

  4. Áp dụng quy trình kiểm tra chất lượng: Đề xuất các cơ sở sản xuất áp dụng phương pháp thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM D-638 để kiểm tra định kỳ chất lượng sản phẩm, từ đó điều chỉnh thông số in phù hợp.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên và nhà thiết kế về ảnh hưởng của các thông số in 3D đến tính chất cơ học sản phẩm, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 6-12 tháng tại các xưởng sản xuất sử dụng công nghệ DLP để nhanh chóng nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lỗi kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm về công nghệ in 3D DLP, giúp mở rộng kiến thức và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia công nghệ in 3D: Thông tin về ảnh hưởng các thông số in đến độ bền kéo giúp họ tối ưu quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và chế tạo máy: Các công ty ứng dụng công nghệ DLP trong sản xuất có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và đào tạo: Các trường đại học, viện nghiên cứu và cơ quan quản lý có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo, xây dựng chương trình đào tạo và chính sách phát triển công nghệ in 3D.

Việc tham khảo luận văn giúp các đối tượng trên hiểu rõ hơn về công nghệ DLP, từ đó ứng dụng hiệu quả trong thực tế sản xuất và nghiên cứu phát triển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ DLP khác gì so với SLA trong in 3D?
    DLP sử dụng máy chiếu kỹ thuật số để chiếu toàn bộ lớp nhựa cùng lúc, trong khi SLA dùng tia laser quét điểm từng điểm. DLP có tốc độ in nhanh hơn và bề mặt sản phẩm mịn hơn.

  2. Tại sao độ dày lớp in ảnh hưởng đến độ bền kéo?
    Lớp mỏng giúp tăng cường liên kết giữa các lớp vật liệu, giảm khuyết tật và lỗ rỗng, từ đó nâng cao độ bền kéo của sản phẩm.

  3. Góc beta là gì và tại sao nó quan trọng?
    Góc beta là góc hình thành sản phẩm so với mặt bàn in. Góc này ảnh hưởng đến phân bố ứng suất và khả năng chịu lực của sản phẩm, góc tối ưu giúp tăng độ bền kéo.

  4. Tiêu chuẩn ASTM D-638 được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Tiêu chuẩn này quy định kích thước và hình dạng mẫu thử kéo, giúp đánh giá chính xác độ bền kéo của vật liệu nhựa in 3D theo quy trình chuẩn.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế?
    Các nhà sản xuất cần điều chỉnh thông số in theo vùng tối ưu đã xác định, đồng thời thực hiện kiểm tra chất lượng định kỳ để đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu cơ tính.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng quan trọng của độ dày lớp in và góc beta đến độ bền kéo sản phẩm in 3D công nghệ DLP.
  • Mô hình hồi quy và tối ưu hóa cho thấy độ dày lớp 0.039 mm và góc beta 42.5° là thông số tối ưu để đạt độ bền kéo cao nhất 34 MPa.
  • Thời gian phơi sáng và góc alpha có ảnh hưởng thấp hơn, có thể duy trì trong phạm vi tiêu chuẩn để đảm bảo chất lượng.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho công nghệ in 3D DLP tại Việt Nam, hỗ trợ nâng cao chất lượng sản phẩm.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu và khuyến nghị áp dụng trong sản xuất nhằm tăng hiệu quả và tính cạnh tranh của sản phẩm in 3D.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các thông số tối ưu trong quy trình sản xuất thực tế và mở rộng nghiên cứu về các tính chất cơ học khác của sản phẩm in 3D. Độc giả và các nhà sản xuất được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.