MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu: 1. In 3D là gì: In 3D được đề xuất đầu tiên bởi tiến sỹ Kodama năm 1980, là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều. Trong in 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể.
Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ theo thiết kế 3D trên các phần mềm như: Solid Work, Inventor, Auto Cad,. Máy in 3D là một loại robot công nghiệp[1]. Charles Hull trở thành người đầu tiên đăng ký thành công bản quyền IN 3D, và thành lập công ty in 3D danh tiếng Systems Corporation. In 3D dù có tuổi đời hơn 3 thập kỷ, nhưng chỉ chính thức bùng nổ vào 2009[2].
Các loại công nghệ in 3D hiện nay: 1. Công nghệ kết dính vật liệu dạng hạt: Một cách tiếp cận in 3D khác là sự pha trộn chọn lọc các vật liệu trong một bàn hạt. Kỹ thuật này kết hợp các phần của lớp và sau đó di chuyển lên trên trong khu vực làm việc, thêm một lớp hạt khác và lặp lại quá trình cho đến khi chi tiết được tạo ra. Các công nghệ thuộc loại này như: thiêu kết bằng laser, nung chảy bằng laser, nung chảy bằng chùm tia điện tử, …[3].
Công nghệ thiêu kết bằng laser: • Sự ra đời của công nghệ: Công nghệ thiêu kết bằng laser chọn lọc – SLS, là công nghệ tạo mẫu nhanh (AM), đã được phát triển và cấp bằng sáng chế của Tiến sĩ Carl Deckard và Tiến sĩ Joseph Beaman tại Đại học Texas ở Austin vào giữa những năm 1989, được đưa ra thị trường bởi tập đoàn DTM (được thành lập 1987). Thiết bị đầu tiên được thương mại hoá vào năm 1992. Đây là một trong những công nghệ đầu tiên và được công nhận sau SLA. Công nghệ này cũng dựa trên quá trình chế tạo từng lớp nhưng chất polymer lỏng được thay bằng vật liệu bột.[4] 1 Luan van • Nguyên lí hoạt động: Công nghệ SLS vận hành tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bột gốm sứ, thép, titan, nhôm, bạc, thủy tinh,… Tia laser giúp liên kết các hạt bột với nhau.
Đặc biệt, bột thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm[12]. Nhìn chung, SLS là công nghệ tạo mẫu dựa trên vật liệu dạng bột. Sử dụng tia laser, công nghệ SLS nung kết các loại vật liệu dạng bột khác nhau với nhau để tạo ra mẫu dạng rắn. Công nghệ in 3D SLS là chìa khóa để các máy in 3D tạo ra những sản phẩm đa dạng, đặc biệt là in 3D bằng chất liệu kim loại/gốm.1: Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D SLS[12].
Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh có gắn bàn làm việc. Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc. Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng.
Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành[5]. 2 Luan van Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp mới được xây dựng. Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùng phương pháp này.
Phương pháp SLS có thể được áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau: Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp,… Những chi tiết được chế tạo bằng phương pháp SLS tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt nên cần phải xử lý sau khi chế tạo (xử lý tinh)[5]. • Quá trình tạo mẫu như thế nào? Bước 1: Một lớp vật liệu bột được đặt vào buồng chứa sản phẩm. Bước 2: Lớp vật liệu bột đầu tiên được quét bằng tia laser và đông đặc lại. Vật liệu bột không được xử lý sẽ được đưa trở về thùng chứa liệu.
Bước 3: Khi lớp thứ nhất đã hoàn thành thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấp vào thông qua con lăn cơ khí chuẩn bị cho quá trình quét lớp thứ hai. Bước 4: Bước hai và bước ba được lặp lại cho đến khi sản phẩm được hoàn thành. Sau khi quá trình kết thúc, sản phẩm được lấy ra khỏi buồng xử lý và có thể qua giai đoạn hậu xử lý hoặc đánh bóng lại như phun cát tùy từng ứng dụng của sản phẩm[5].2: Mô phỏng quá trình tạo mẫu từ SLS[5]. 3 Luan van • Vật liệu: Các vật liệu có sẵn trên thị trường được sử dụng trong SLS ở dạng bột, bao gồm như polyamit (PA), polystyrenes (PS), nhựa nhiệt dẻo (TPE) và polyaryletherketones (PAEK).
Polyamit là vật liệu SLS được sử dụng phổ biến nhất do hoạt động thiêu kết lý tưởng của chúng như một loại nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể, tạo ra sản phẩm có tính cơ học mong muốn. Polycarbonate (PC) là vật liệu được SLS quan tâm cao do độ bền cao, ổn định nhiệt và chống cháy; tuy nhiên, các polyme vô định hình như vậy được xử lý bởi SLS có xu hướng dẫn đến các sản phẩm có tính cơ học giảm, độ chính xác về kích thước và do đó bị giới hạn trong các ứng dụng. Vật liệu kim loại không được sử dụng phổ biến trong SLS kể từ khi phát triển công nghệ nóng chảy laser chọn lọc[1]. • Ưu nhược điểm: Công nghệ này có ưu điểm là khả năng tạo mẫu đa dạng, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp, không cần sử dụng vật liệu hỗ trợ.
Tuy vậy, công nghệ in 3D SLS từ khi ra đời đến nay chỉ luôn được áp dụng cho các máy in 3D công nghiệp. Bởi chi phí bản quyền công nghệ SLS rất đắt, giá vật liệu in 3D còn khá cao và việc chế tạo thiết bị cũng phức tạp hơn so với các dòng máy in 3D FDM, SLA…[13]. Tin vui cho ngành công nghiệp in 3D, từ năm 2014, có khá nhiều bản quyền in 3D đã và sắp hết hạn, trong số đó có công nghệ in 3D SLS Nhiều công ty đang nắm bắt cơ hội này, một trong số đó là Norge Systems với 2 dự án máy in 3D SLS “giá rẻ” Ice1 và Ice9 đang rất được quan tâm trên Kickstarter. Đáng chú ý nhất là Ice1, chiếc máy in 3D SLS chỉ có giá trước thuế khoảng 13.
Gía bán vật liệu in 3D dạng bột vào khoảng 80-120 USD/1kg đắt hơn nhiều so với sợi nhựa máy in 3D FDM. Nhưng bù lại, công nghệ in 3D SLS lại rất tiết kiệm nguyên liệu do đặc thù của phương pháp thiêu kết laser không cần tốn thêm vật liệu hỗ trợ[6]. • Các loại máy in 3D SLS: Sự khác biệt giữa các máy in 3D SLS chính là loại laser và kích thước của mẫu vật có thể tạo. Các hệ thống khác nhau sử dụng các giải pháp khác nhau để kiểm soát nhiệt độ, phân phối bột và lắng đọng lớp.
SLS đòi hỏi độ chính xác cao và kiểm soát chặt chẽ. Nhiệt 4 Luan van độ của bột cùng với các bộ phận phải được kiểm soát trong vòng 2° C trong ba giai đoạn( nung nóng trước, thiêu kết và bảo quản) trước khi loại bỏ để giảm thiểu cong vênh, ứng suất và biến dạng do nhiệt[7]. - Máy in 3D SLS công nghiệp: SLS công nghiệp đã được sử dụng cho nhiều ứng dụng, từ phụ tùng cho nhà sản xuất xe tải lớn nhất thế giới đến quần áo. Các máy in 3D SLS lớn nhất có thể in các phần dài đến 1 mét.
Các máy in 3D SLS công nghiệp sử dụng một hoặc nhiều laser carbon dioxide công suất cao. Khối lượng xây dựng càng lớn, hệ thống càng phức tạp. SLS công nghiệp đòi hỏi môi trường trơ nitơ hoặc các loại khí khác để ngăn bột bị oxy hóa và biến chất. Vì vậy, công nghiệp thiêu kết laser chọn lọc công nghiệp cần các thiết bị xử lý không khí chuyên dụng.
Và các hệ thống này cũng đòi hỏi sức mạnh công nghiệp; ngay cả những máy công nghiệp nhỏ nhất cũng cần ít nhất 10𝑚2 cho không gian lắp đặt[7].3: ProX300 – máy in 3D SLS dùng trong công nghiệp[14]. 5 Luan van - Máy in 3D SLS “để bàn”: SLS “để bàn” gọn hơn, dễ quản lý hơn, không yêu cầu cơ sở hạ tầng chuyên dụng và phù hợp với không gian làm việc của bạn. Các máy in 3D SLS “để bàn” sử dụng laser diode hoặc laser sợi thay vì laser CO2 được sử dụng trong hệ thống SLS công nghiệp, điểm lợi ở đây là chất lượng chùm tia cung cấp là bằng nhau nhưng chi phí thấp hơn so với laser dùng trong công nghiệp. kích thước mẫu vật có thể tạo nhỏ hơn nên cần ít nhiệt hơn.
Bột tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian ngắn hơn, nên không cần sử dụng khí trơ và thiết bị xử lý không khí chuyên dụng. Tiêu thụ năng lượng tổng thể ít hơn cho phép chúng chạy bằng nguồn AC tiêu chuẩn mà không có cơ sở hạ tầng chuyên dụng[7].4: Sinterit Lisa – máy in 3D SLS “để bàn”[15]. Một số công nghệ khác: - Nung chảy laser Chọn lọc - SLM không thiêu kết các hạt bột, mà làm tan chảy hoàn toàn bột bằng laser năng lượng cao để tạo ra các vật liệu dày đặc hoàn toàn theo phương pháp lớp có tính chất cơ học tương tự như các kim loại được sản xuất thông thường[1]. - Nung chảy bằng chùm tia điện tử - EBM là một loại công nghệ sản xuất bồi đắp tương tự cho các bộ phận kim loại (ví dụ: hợp kim titan).
EBM hoạt động bằng cách nung chảy bột kim loại theo từng lớp bởi một chùm electron trong chân không cao. Không giống 6 Luan van như sản phầm của các kỹ thuật thiêu kết kim loại hoạt động dưới điểm nóng chảy, các sản phẩm của EBM là vật thể đặc[1].5: Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D EBM[16]. Công nghệ quang trùng hợp: Quy trình tạo mẫu lập thể - SLA được dựa trên việc đông cứng bằng ánh sáng (quang trùng hợp) của vật liệu lỏng thành dạng rắn, nó được cấp bằng sáng chế vào năm 1986 bởi Chuck Hull[1].