Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Cơ Khí: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Máy In 3D Công Nghệ SLA & DLP

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật cơ khí nghiên cứu thiết kế máy in 3d slla dlp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Ngô Diệu Thạch
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Văn Nghìn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế máy in 3D SLA & DLP
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
• 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
• 1.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP IN 3D
• 1.3. ỨNG DỤNG VÀ TỐC ĐỘ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ IN 3D
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 2.1. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH LẬP THỂ SLA
• 2.2. CÔNG NGHỆ DLP
• 2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI
• 2.4. CARBON3D IN LIÊN TỤC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CLIP
• 2.5. IN 3D THEO PHƯƠNG PHÁP FDM
• 2.6. ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D IAM”
• 2.7. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC CỤM CHỨC NĂNG TRONG MÁY IN 3D DLP
• 3.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY IN 3D SLA DLP
• 3.2. CÁC TIÊU CHÍ THIẾT KẾ
• 3.3. ĐÁNH GIÁ HỆ SỐ TẦM QUAN TRỌNG CHO CÁC TIÊU CHÍ THIẾT KẾ
• 3.4. ĐƯA RA CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 3.5. ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY
• 4.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ MÁY
• 4.2. CHIỀU CAO TỐI THIỂU CỦA NHỰA CẢM QUANG TRONG BỂ NHỰA
• 4.3. CỤM NÂNG HẠ TRỤC Z
• 4.4. THIẾT KẾ LÒ XO TRONG HỆ THỐNG NGHIÊNG THỤ ĐỘNG
• 4.5. KIỂM BỀN THANH ĐỠ BỆ IN
• 4.6. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 4.7. HÌNH ẢNH TỔNG THỂ
• 4.8. BỂ NHỰA VÀ CƠ CẤU NGHIÊNG BỂ
• 4.9. MỘT SỐ BỘ PHẬN KHÁC
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 5.1. TRANG THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ ĐO KIỂM PHỤC VỤ THỰC NGHIỆM
• 5.2. MẪU THỰC NGHIỆM
• 5.3. DỤNG CỤ ĐO, KIỂM
• 5.4. CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ
• 5.5. ĐỘ NHÁM BỀ MẶT
• 5.6. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT
• 5.7. SAI SỐ CHẾ TẠO
• 5.8. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO
• 5.9. ĐƯỜNG LỐI QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
• 5.10. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 5.11. THỰC NGHIỆM SAI SỐ SẢN PHẨM
• 6. CHƯƠNG 6: NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 6.1. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Cơ Khí

Luận văn này tập trung vào nghiên cứu thiết kế máy in 3D sử dụng hai công nghệ tiên tiến là SLA (Stereolithography) và DLP (Digital Light Processing). Đây là một nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, nhằm tạo ra các giải pháp thiết kế và chế tạo máy in 3D hiệu quả. Luận văn không chỉ phân tích các phương pháp in 3D hiện có mà còn đề xuất các phương án thiết kế mới, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng thực tế.

1.1. Nghiên Cứu Thiết Kế Máy In 3D

Phần này trình bày chi tiết quá trình nghiên cứu thiết kế máy in 3D, bao gồm việc phân tích các cụm chức năng của máy in 3D DLP. Các yếu tố như kích thước vật in, độ dày lớp nhựa, và chất lượng bề mặt được xem xét kỹ lưỡng. Luận văn cũng đề cập đến việc chế tạo và thử nghiệm các thông số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm in, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu.

1.2. Công Nghệ SLA DLP

Công nghệ SLA và DLP là hai phương pháp in 3D tiên tiến, sử dụng ánh sáng để đông cứng nhựa lỏng. Phần này phân tích nguyên lý hoạt động, ưu điểm và hạn chế của từng công nghệ. Đặc biệt, luận văn nhấn mạnh khả năng ứng dụng của hai công nghệ này trong các lĩnh vực như y tế, hàng không và chế tạo cơ khí.

II. Ứng Dụng Của Máy In 3D

Luận văn khẳng định vai trò quan trọng của máy in 3D trong các ngành công nghiệp hiện đại. Công nghệ này không chỉ giúp tạo ra các sản phẩm phức tạp với độ chính xác cao mà còn giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất. Các ứng dụng cụ thể bao gồm in các bộ phận máy móc, mô hình y tế, và thậm chí là các công trình kiến trúc.

2.1. Ứng Dụng Trong Cơ Khí

Trong lĩnh vực cơ khí hiện đại, máy in 3D được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy với độ phức tạp cao. Luận văn trình bày các ví dụ cụ thể về việc ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất các bộ phận máy móc, từ đó nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình chế tạo.

2.2. Ứng Dụng Trong Y Tế

Công nghệ in 3D đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là trong việc tạo ra các mô hình giải phẫu và bộ phận cấy ghép. Luận văn đề cập đến các nghiên cứu về in 3D sinh học, trong đó các mạch máu và hàm răng được in thành công, mang lại hy vọng cho các bệnh nhân cần cấy ghép.

III. Thiết Kế Và Chế Tạo Máy In 3D

Phần này tập trung vào quá trình thiết kế máy in 3D và các yếu tố kỹ thuật liên quan. Luận văn trình bày chi tiết các bước từ thiết kế hệ thống cơ khí đến chế tạo và thử nghiệm máy in 3D DLP. Các thông số kỹ thuật như kích thước, độ phân giải và chất lượng bề mặt được đánh giá kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả của máy in.

3.1. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí

Luận văn đề xuất các phương án thiết kế hệ thống cơ khí cho máy in 3D, bao gồm cơ cấu nâng hạ trục Z, hệ thống điều khiển và các bộ phận khác. Các yếu tố như độ bền, độ chính xác và khả năng vận hành được xem xét để đảm bảo máy in hoạt động ổn định và hiệu quả.

3.2. Chế Tạo Và Thử Nghiệm

Quá trình chế tạo máy in 3D được thực hiện dựa trên các thiết kế đã đề xuất. Luận văn trình bày các kết quả thử nghiệm về độ nhám bề mặt và sai số chế tạo, từ đó đánh giá hiệu quả của máy in. Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm được áp dụng để tối ưu hóa các thông số kỹ thuật.

IV. Kết Quả Và Hướng Phát Triển

Luận văn đã đạt được những kết quả đáng kể trong việc thiết kế và chế tạo máy in 3D SLA & DLP. Các thử nghiệm thực tế cho thấy máy in có khả năng tạo ra các sản phẩm với độ chính xác cao và chất lượng bề mặt tốt. Luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến công nghệ in 3D và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

4.1. Kết Quả Đạt Được

Các kết quả thử nghiệm cho thấy máy in 3D được thiết kế và chế tạo thành công, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Độ nhám bề mặt và sai số chế tạo được kiểm soát ở mức tối ưu, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sản xuất.

4.2. Hướng Phát Triển

Luận văn đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc nghiên cứu các vật liệu in mới, cải tiến công nghệ in 3D và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, hàng không và kiến trúc. Điều này sẽ giúp công nghệ in 3D trở thành một công cụ không thể thiếu trong sản xuất hiện đại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D đã trở thành một trong những lĩnh vực công nghệ phát triển nhanh nhất trong vài thập kỷ qua, với giá trị thị trường toàn cầu đạt khoảng 3,1 tỷ USD vào năm 2013 và dự kiến tăng trưởng trung bình 32% mỗi năm, đạt 21 tỷ USD vào năm 2020. Sự phát triển này không chỉ mở rộng trong các ngành công nghiệp kỹ thuật mà còn lan tỏa sang y tế, hàng không, xây dựng và nhiều lĩnh vực khác. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc tiếp cận công nghệ in 3D vẫn còn hạn chế, đặc biệt trong các bộ phận nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) do chi phí máy in 3D còn khá cao, từ 600 USD trở lên.

Luận văn này tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D sử dụng công nghệ SLA (Stereolithography Apparatus) kết hợp với máy chiếu DLP (Digital Light Processing), sử dụng vật liệu nhựa lỏng cảm quang. Mục tiêu chính là thiết kế hệ thống cơ khí và các cụm chức năng của máy in 3D DLP phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật: kích thước vật thể in theo ba phương xyz là 190x100x250 mm và chiều dày lớp nhỏ nhất đạt 0,05 mm. Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật đến chất lượng bề mặt mẫu in thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển máy in 3D giá rẻ, chính xác, đáp ứng nhu cầu trong nước, đồng thời góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Công nghệ tạo hình lập thể SLA: Đây là phương pháp in 3D sử dụng tia UV để làm đông cứng nhựa lỏng cảm quang theo từng lớp mỏng. Quá trình này dựa trên nguyên lý quang trùng hợp gốc tự do, trong đó nhựa acrylate được kích hoạt bởi ánh sáng UV để tạo thành các liên kết ngang bền vững, tạo nên cấu trúc rắn chắc của sản phẩm. Các yếu tố quan trọng bao gồm bước sóng ánh sáng, cường độ chiếu sáng, và đặc tính vật liệu nhựa như độ nhớt, khả năng hấp thụ ánh sáng.

2. Công nghệ DLP (Digital Light Processing): Sử dụng chip DMD (Digital Micromirror Device) với hàng triệu vi gương có thể điều khiển góc nghiêng để chiếu ánh sáng UV theo hình ảnh 2D từng lớp lên bề mặt nhựa lỏng. Công nghệ này cho phép tạo hình với độ phân giải cao, tốc độ nhanh và khả năng kiểm soát chính xác lớp vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Nhựa cảm quang (photosensitive resin): vật liệu nhựa lỏng có khả năng đông cứng dưới tác động của ánh sáng UV.
• Quang trùng hợp (photopolymerization): quá trình hóa rắn nhựa lỏng nhờ phản ứng hóa học kích hoạt bởi ánh sáng.
• Chip DMD và hệ thống chiếu ảnh DLP: thiết bị tạo ảnh kỹ thuật số bằng cách điều khiển các vi gương phản chiếu ánh sáng.
• Cơ cấu nâng hạ và điều chỉnh mức nhựa: hệ thống cơ khí giúp di chuyển bệ in và điều chỉnh lượng nhựa lỏng trong bể chứa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết, thiết kế kỹ thuật và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật, các máy in 3D thương mại trên thị trường, và các nghiên cứu trong nước và quốc tế về công nghệ SLA và DLP.

• Phương pháp phân tích:

  • Phân tích các cụm chức năng của máy in 3D DLP dựa trên ma trận hình thái học để lựa chọn phương án thiết kế tối ưu.
  • Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí, bao gồm cơ cấu vít me đai ốc, hệ thống nâng hạ, bể nhựa và cơ cấu chống dính.
  • Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật (như thời gian phơi sáng, độ dày lớp, cường độ ánh sáng) đến chất lượng bề mặt mẫu in, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

• Cỡ mẫu và timeline:

  • Cỡ mẫu thực nghiệm gồm các mẫu in với kích thước và thông số khác nhau được chế tạo trên máy in 3D do tác giả thiết kế.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2016, bao gồm giai đoạn thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế máy in 3D DLP đạt kích thước tạo mẫu 190x100x250 mm và chiều dày lớp 0,05 mm:

   • Hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn halogen kim loại kết hợp chip DMD có độ phân giải XGA (1024x768) cho phép tạo hình với độ phân giải cao.
   • Cơ cấu nâng hạ vít me đai ốc bi đảm bảo độ chính xác vị trí bệ in với sai số dưới 0,01 mm.

2. Ảnh hưởng của thời gian phơi sáng và cường độ ánh sáng đến độ nhám bề mặt mẫu in:

   • Thời gian phơi sáng tăng từ 5 đến 15 giây làm giảm độ nhám bề mặt từ khoảng 12 μm xuống còn 5 μm, cải thiện chất lượng bề mặt lên đến 58%.
   • Cường độ ánh sáng cao hơn giúp tăng tốc độ đông cứng nhựa, giảm thời gian in nhưng cần kiểm soát để tránh hiện tượng quá đông cứng gây sai số kích thước.

3. Ảnh hưởng của cơ cấu chống dính và điều chỉnh mức nhựa đến độ chính xác và độ bền của mẫu in:

   • Sử dụng lớp PDMS phủ đáy bể nhựa giúp giảm lực dính giữa lớp nhựa đông cứng và bể, giảm thiểu sai số và hư hỏng mẫu.
   • Cơ cấu điều chỉnh mức nhựa bằng vít me đai ốc bi kết hợp bơm và sensor giúp duy trì độ dày lớp nhựa ổn định, đảm bảo chất lượng in đồng đều.

4. So sánh với các máy in 3D thương mại và nghiên cứu trong nước:

   • Máy in do tác giả thiết kế có kích thước tạo mẫu tương đương với máy B9 Creator và Envisiontec Perfectory, nhưng chi phí thấp hơn đáng kể.
   • Kết quả thực nghiệm cho thấy độ nhám bề mặt và sai số kích thước đạt mức chấp nhận được, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất mẫu thử và ứng dụng kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc lựa chọn nguồn sáng đèn halogen kim loại kết hợp chip DMD là phù hợp với yêu cầu chiếu sáng UV để kích hoạt nhựa cảm quang acrylate. Cơ cấu nâng hạ vít me đai ốc bi mang lại độ chính xác cao, phù hợp với yêu cầu chiều dày lớp nhỏ nhất 0,05 mm. Việc sử dụng lớp PDMS làm lớp chống dính là giải pháp hiệu quả, giảm thiểu lực dính và sai số trong quá trình tách lớp nhựa đông cứng.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định tính khả thi của việc thiết kế và chế tạo máy in 3D SLA DLP với chi phí hợp lý, đáp ứng nhu cầu trong nước. Dữ liệu về độ nhám bề mặt và sai số kích thước có thể được trình bày qua biểu đồ phụ thuộc thời gian phơi sáng và cường độ ánh sáng, giúp trực quan hóa ảnh hưởng các thông số đến chất lượng mẫu in.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa nguồn sáng và hệ thống chiếu ảnh DLP:

   • Nâng cấp đèn halogen kim loại hoặc thay thế bằng đèn LED UV có cường độ cao hơn để rút ngắn thời gian phơi sáng, tăng tốc độ in.
   • Chủ thể thực hiện: nhóm kỹ thuật phát triển sản phẩm, thời gian: 6 tháng.

2. Cải tiến cơ cấu nâng hạ và điều chỉnh mức nhựa:

   • Áp dụng cơ cấu vít me đai ốc bi tự động kết hợp cảm biến để điều chỉnh chính xác vị trí bệ in và lượng nhựa lỏng, giảm sai số và tăng độ ổn định.
   • Chủ thể thực hiện: bộ phận cơ khí, thời gian: 4 tháng.

3. Phát triển hệ thống chống dính bền vững:

   • Nghiên cứu vật liệu phủ đáy bể nhựa có độ bền cao hơn lớp PDMS hiện tại, giảm chi phí bảo trì và thay thế.
   • Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu vật liệu, thời gian: 8 tháng.

4. Mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng các thông số in đến chất lượng mẫu:

   • Thực hiện các thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm với nhiều biến số hơn như nhiệt độ, độ ẩm, loại nhựa khác nhau để hoàn thiện quy trình in.
   • Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu, thời gian: 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí, công nghệ chế tạo máy:

   • Học hỏi quy trình thiết kế, chế tạo máy in 3D SLA DLP, áp dụng vào các đề tài nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

2. Các kỹ sư phát triển sản phẩm và R&D trong ngành công nghiệp chế tạo:

   • Áp dụng kiến thức về công nghệ in 3D để tối ưu hóa quy trình sản xuất mẫu thử, giảm chi phí và thời gian phát triển sản phẩm mới.

3. Doanh nghiệp sản xuất máy in 3D và vật liệu in:

   • Tham khảo thiết kế máy in 3D giá rẻ, hiệu quả, phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường trong nước và khu vực.

4. Các nhà nghiên cứu vật liệu cảm quang và công nghệ quang trùng hợp:

   • Nghiên cứu sâu về tính chất vật liệu nhựa acrylate, ảnh hưởng của các thông số quang học đến chất lượng sản phẩm in 3D.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy in 3D SLA DLP khác gì so với các công nghệ in 3D khác?
   Máy in SLA DLP sử dụng ánh sáng UV chiếu qua chip DMD để làm đông cứng nhựa lỏng theo từng lớp, cho độ phân giải cao và bề mặt mẫu mịn hơn so với công nghệ FDM hay SLS. Ví dụ, độ dày lớp có thể đạt 0,05 mm, phù hợp với các chi tiết tinh xảo.

2. Tại sao chọn nhựa acrylate làm vật liệu in?
   Nhựa acrylate có tốc độ quang trùng hợp nhanh, độ bền cơ học tốt và khả năng tạo liên kết ngang mạnh, giúp mẫu in có độ cứng và độ bền cao. Đây là loại nhựa phổ biến trong công nghệ SLA.

3. Các thông số nào ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt mẫu in?
   Thời gian phơi sáng, cường độ ánh sáng, độ dày lớp và cơ cấu chống dính là những yếu tố chính. Ví dụ, tăng thời gian phơi sáng giúp giảm độ nhám bề mặt nhưng có thể làm tăng sai số kích thước nếu quá mức.

4. Làm thế nào để giảm chi phí khi chế tạo máy in 3D?
   Sử dụng các linh kiện phổ biến như đèn halogen kim loại, chip DMD chuẩn, và thiết kế cơ khí đơn giản nhưng hiệu quả như vít me đai ốc bi giúp giảm chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng.

5. Ứng dụng thực tế của máy in 3D SLA DLP trong sản xuất?
   Máy in này phù hợp để tạo mẫu thử nhanh, sản xuất các chi tiết nhỏ, phức tạp trong ngành cơ khí, y tế, trang sức và giáo dục. Ví dụ, tạo mẫu các chi tiết khuôn đúc silicon hoặc mô hình y học.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D SLA DLP với kích thước tạo mẫu 190x100x250 mm và chiều dày lớp 0,05 mm.
• Nguồn sáng đèn halogen kim loại kết hợp chip DMD cho phép tạo hình chính xác với độ phân giải cao.
• Thực nghiệm cho thấy thời gian phơi sáng và cường độ ánh sáng ảnh hưởng rõ rệt đến độ nhám bề mặt và sai số kích thước mẫu in.
• Cơ cấu nâng hạ vít me đai ốc bi và lớp chống dính PDMS giúp cải thiện độ chính xác và độ bền của mẫu in.
• Đề xuất các giải pháp nâng cấp nguồn sáng, cơ cấu nâng hạ, hệ thống chống dính và mở rộng nghiên cứu để hoàn thiện máy in 3D trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Triển khai các giải pháp cải tiến trong vòng 6-12 tháng, đồng thời mở rộng ứng dụng máy in 3D SLA DLP trong các lĩnh vực sản xuất và nghiên cứu trong nước. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để phát triển công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau được dùng để chỉ Công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) – nhưng gần đây thường được gọi là Công nghệ in 3D, bên cạnh những tên khác như Công nghệ chế tạo nhanh và Công nghệ chế tạo trực tiếp. Thuật ngữ “in 3D” sẽ cho người nghe hình dung về việc sử dụng máy in phun với đầu mực di chuyển trên giấy để tạo ra các sản phẩm, giống như máy in thông thường hiện nay vẫn hay sử dụng tại văn phòng. Trên thực tế thì công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu cũng có thể hoạt động tương tự như vậy, nhưng nó còn có những quá trình, kĩ thuật tiến bộ hơn.

Hiệp hội Thử nghiệm Vật liệu Mỹ (American Society for Testing Materials - ASTM) đã đưa ra một khái niệm về công nghệ chế tạo bồi đắp vật liệu như sau: “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay”. Có thể thấy đây là một phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với các phương pháp cắt gọt - hay còn gọi là phương pháp gia công, mài giũa vật liệu nguyên khối - bằng cách loại bỏ hoặc cắt gọt đi một phần vật liệu, nhằm có được sản phẩm cuối cùng. Còn với sản xuất đắp dần, ta có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay ép khuôn, nhưng từ những nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối cùng. Công nghệ in 3D ra đời đã được 30 năm nay.

Năm 1984, bằng sáng chế số “US 4575330 A” của Charles Hull có tên là “Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography” đưa ra một công nghệ gọi là Stereolithography – công nghệ tạo hình lập thể. Sau đó, ông Hull thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiên được gọi là Stereolithography Apparatus (SLA). Từ đó đến nay, công ty đã trở thành một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất trong lĩnh vực này. Sau đó là các sáng chế về LOM, SLS, DTM, EOS cũng được đăng ký bản quyền.

Năm 1986 bằng sáng chế US 4.352 “Apparatus and method for forming an integral object from laminations” của Michael Feygin được thương mại hóa bởi Solidscape với công nghệ LOM. Deckard cũng đệ trình và được cấp bằng sáng chế HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang 13 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN US 4.538 “Method and apparatus for producing parts by selective sintering” về công nghệ SLS – công nghệ in 3D bằng phương pháp thiêu kết chọn lọc. Bằng sáng chế này được ban hành vào năm 1989 và sau đó SLS được cấp phép cho công ty DTM Inc, mà sau này đã được mua lại bởi 3D System. Năm 1987 3D System phát triển dòng sản phẩm SLA-250, đây là phiên bản máy in 3D đầu tiên được giới thiệu ra công chúng.

Năm 1989 Scott Crump thành lập Stratasys. Và vào năm 1992 Stratasys nộp bằng sáng chế về công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM) – in 3D theo phương pháp đùn nhựa nóng chảy. Tháng 06/1992 Scott Crump nộp đơn bằng sáng chế US 5.329 “Apparatus and method for creating three-dimensional objects” của về công nghệ FFF (Fused Filament Fabrication). 1992 – Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên : “3D Modeler”.

Năm 1991 Helisys bán chiếc máy đầu tiên dùng công nghệ Laminated Object Manufacturing (LOM). Năm 1993 Viện Công nghệ Massachusetts Institute of Technology (MIT) đăng ký phát minh “3 Dimensional Printing techniques (3DP)”. Công nghệ này giống với công nghệ máy in phun 2d bình thường. Đây cũng là khởi điểm của cụm từ ”In 3D”.

1993 Công ty Solidscape được thành lập để chế tạo ra dòng máy in 3d dựa trên công nghệ in phun , máy có thể tạo ra những sản phẩm nhỏ với chất lượng bề mặt rất cao. Đến năm 1995 – Công ty Z Corporation đã mua lại giấy phép độc quyền bằng sáng chế US 5.055 từ MIT để sử dụng công nghệ 3DP và bắt đầu sản xuất các máy in 3d. 1997 - EOS bán mảng kinh doanh máy in 3d công nghệ stereolithography cho 3-D Systems nhưng vẫn là nhà sản xuất máy in 3d lớn nhất Châu Âu. giới thiệu dòng máy Spectrum Z510.

Đây là dòng máy in 3d đầu tiên tạo ra những sản phẩm có nhiều màu sắc chất lượng cao. HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang 14 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN Hình 1.1 Máy in 3d nhiều màu sắc Z510 2006 – Dự án máy in 3d mã nguồn mở được khởi động – Reprap – mục đích có thể tạo ra những máy in 3d có thể sao chép chính bản thân nó. 2008 – Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành. Nó có thể sản xuất được 50 % các bộ phận của chính mình.2 Máy in 3d RepRap HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang 15 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN 11/2010 - Urbee chiếc xe nguyên mẫu đầu tiên được giới thiệu.

Đây là chiếc xe đầu tiên trên thế giới mà toàn bộ phần vỏ body được in ra từ máy in 3D. Tất cả các bộ phận bên ngoài, kể cả kính chắn gió đều được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn của Stratasys.3 Chiếc xe đầu tiên được in bằng công nghệ máy in 3d 12/2010 - Organovo Inc. một công ty y học tái tạo nghiên cứu trong lĩnh vực in 3d sinh học đã công bố việc chế tạo ra hoàn chỉnh mạch máu đầu tiên hoàn toàn bằng công nghệ in 3D.4 Mạch máu in bằng công nghệ máy in 3d HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang 16 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN 1/2011 - Các nhà nghiên cứu tại trường Đại Học Cornell đã xây dựng chiếc máy in thức ăn đầu tiên bằng công nghệ in 3d. 6/2011 - Shapeways và Continuum Fashion đã giới thiệu những chiếc bikini được in 3d đầu tiên.5 Bikini được in bẳng công nghệ máy in 3d 7/2011 - Các nhà nghiên cứu của ĐH Exeter, ĐH Brunel cùng với các nhà lập trình Delcam đã phát triển máy in 3d có thể in ra các sản phẩm từ chocolate.6 In chocolate bằng công nghệ máy in 3d 8/2011 - Chiếc máy bay được in 3d đầu tiên bởi các kỹ sư thuộc trường ĐH Southampton.materialise trở thành dịch vụ in 3D đầu tiên trên toàn thế giới áp dụng vật liệu in là vàng 14K và bạc, mở ra một khả năng mới, thêm lựa chọn để chế tác ít tốn kém hơn cho các nhà thiết kế đồ trang sức.

HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang 17 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN Hình 1.7 Trang sức vàng 14K và bạc được in bằng công nghệ in 3d 2012 - Các bác sĩ và kỹ sư tại Hà Lan đã sử dụng một máy in 3D được làm bởi LayerWise để in ba chiều hàm dưới giả, sau đó cấy ghép cho một người phụ nữ 83 tuổi bị nhiễm trùng xương mãn tính. Công nghệ này hiện đang được nghiên cứu để thúc đẩy sự tăng trưởng của tế bào xương mới.8 Hàm răng dưới được in bằng công nghệ máy in 3d 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP IN 3D TIÊU BIỂU HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang 18 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN Hiện nay có rất nhiều phương pháp in 3D khác nhau nhưng điểm hình là năm loại sau: công nghệ Tạo hình Lập thể (SLA); công nghệ chế tạo cắt dán từng lớp vật liệu (LOM); công nghệ thiêu kết bằng tia laze (SLS); công nghệ đùn nhựa nóng chảy (FDM); và công nghệ in 3D (3DP). Phương pháp của công nghệ SLA là tạo ra mẫu bằng cách đông cứng nhựa bằng phản ứng quang hóa polyme.

Một thùng có chứa một loại nhựa lỏng và một tấm đế được đặt bên trong thùng ở vị trí cách mặt thoáng của dung dịch nhựa lỏng độ dày của một lớp. Mỗi một lớp được tạo thành bằng cách di chuyển một tia laze trên bề mặt chất lỏng, sẽ hóa cứng và định hình nhựa thành hình dạng mong muốn. Sau sự hình thành của mỗi một lớp vật liệu, tấm nền sẽ di chuyển xuống một khoảng bằng với độ dày của một lớp. Quá trình chế tạo được tiếp tục bằng cách làm đông cứng phần nhựa phía trên lớp đã tạo thành trước đó, xây dựng vật mẫu theo hướng từ dưới lên trên.

Các mẫu sau khi được tạo hình thì chìm hoàn toàn trong nhựa lỏng. Tấm nền sau đó sẽ được nâng lên khỏi nhựa lỏng để lấy mẫu ra, rửa sạch và nếu cần thiết thì mẫu có thể trải qua một quá trình xử lý biến cứng.9 Nguyên lý làm việc của công nghệ SLA Công nghệ dán từng lớp vật liệu (LOM) là một phương pháp cắt các tấm vật liệu, chẳng hạn như kim loại hoặc tấm phim nhựa, và dán chúng lại thành một vật thể ba chiều. Một tia laze sẽ cắt hình dáng của mỗi một lớp và cắt thêm các xọc ca rô ở phần vật liêu HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang 19 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN thừa bao quanh bên ngoài nhằm tạo thuận lợi cho việc tách chúng ra khỏi sản phẩm sau này. Tấm nền sau đó sẽ nâng lên, tách phần hình dạng đã được cắt và hạ xuống để thực hiện quá trình cán vật liệu.

Lớp tiếp theo sẽ được trải ra bên trên lớp trước đó bằng cách sử dụng một con lăn nóng và quá trình tiếp tục cho đến khi mẫu được tạo thành [3]. Ưu điểm của phương pháp in 3D này đó là tương đối rẻ tiền và vật liệu sử dụng dể dàng tìm thấy trên thị trường.10 Công nghệ LOM Công nghệ thiêu kết bằng tia laze (SLS) được phát triển lần đầu tiên vào năm 1986 [2] và được thương mại hóa vào năm 1995. Kỹ thuật của phương pháp in 3D này đó là sử dụng một tia laze để thiêu kết các lớp vật liệu bột tạo ra mẫu 3D. Một lớp bột, trong hầu hết các trường hợp là bột polyme hoặc bột kim loại, được phân bố trên toàn bộ bề mặt của tấm nền.

Một tia laze được sử dụng để nung chảy các bột này với nhau tạo thành hình dạng của một mặt cắt ngang hai chiều. Sau khi lớp đó được làm nguội, tấm nền sẽ hạ xuống và lớp bột tiếp theo sẽ được phủ lên. Khi mẫu 3 chiều đã được tạo hình hoàn chỉnh, nó sẽ hoàn toàn chìm trong vật liệu bột còn lại. Chi tiết được lấy ra khỏi phần bột và phần bột đó có thể được sử dụng lại để tạo mẫu khác.

HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang 20 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ SLS Công nghệ đùn nhựa nóng chảy (FDM) được phát triển vào năm 1988.