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.