Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D ngày càng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như y học, công nghiệp chế tạo, trang sức và giáo dục. Theo báo cáo ngành, thời gian tạo ra một sản phẩm bằng công nghệ in 3D chỉ mất từ 3 đến 72 giờ, nhanh hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống mất hàng tuần hoặc tháng. Trong đó, phương pháp in 3D theo công nghệ Stereolithography (SLA) nổi bật với độ chính xác cao, có thể đạt tới 10 µm, vượt trội so với các công nghệ khác có độ phân giải từ 50-200 µm.

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào thiết kế và chế tạo máy in 3D sử dụng công nghệ SLA với mục tiêu nghiên cứu phương pháp in 3D SLA, thiết kế máy in 3D SLA và thử nghiệm đánh giá sản phẩm in. Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 12 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với phạm vi thiết kế máy in có khổ in 70x125x150 mm và độ chính xác lớp in dưới 50 µm.

Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc phát triển một máy in 3D SLA có chi phí hợp lý, phù hợp với điều kiện trong nước, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất mẫu nhanh, y học, trang sức và các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra cơ hội chuyển giao công nghệ cho các cơ sở sản xuất mẫu nhanh, nâng cao năng lực công nghệ trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: công nghệ in 3D SLA và cơ cấu truyền động vít me – đai ốc. Công nghệ SLA sử dụng tia laser UV chiếu qua màn hình LCD để làm đông cứng nhựa photopolymer theo từng lớp, tạo ra sản phẩm 3D với độ chính xác cao. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Độ phân giải lớp in (Layer thickness): ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước sản phẩm.
  • Truyền động vít me – đai ốc: chuyển đổi chuyển động quay của động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến chính xác cho trục Z.
  • Động cơ bước (Stepper motor): cung cấp chuyển động góc quay với bước nhỏ, đảm bảo vị trí chính xác cho quá trình in.
  • Phần mềm CAD/CAM: tạo và xử lý mô hình 3D, cắt lớp và xuất mã lệnh điều khiển máy in.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ tài liệu kỹ thuật trong và ngoài nước, các bài báo khoa học, catalog thiết bị và thực nghiệm trực tiếp trên máy in 3D SLA do nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo.

Phương pháp phân tích thực nghiệm bao gồm:

  • Thiết kế và chế tạo máy in 3D SLA với khổ in 70x125x150 mm.
  • Thử nghiệm in các mẫu sản phẩm với các thông số lớp in, thời gian phơi sáng và góc in khác nhau.
  • Đánh giá độ bền kéo và uốn của sản phẩm in bằng nhựa resin.
  • So sánh kết quả thực nghiệm với các tiêu chuẩn kỹ thuật và nghiên cứu trước đó.

Phương pháp phân tích so sánh được áp dụng để tổng hợp và đánh giá chất lượng sản phẩm in dựa trên các tiêu chí về độ chính xác, độ bền và hiệu suất hoạt động của máy. Cỡ mẫu thử nghiệm khoảng 30 sản phẩm với các biến đổi thông số in khác nhau, được chọn mẫu ngẫu nhiên nhằm đảm bảo tính đại diện.

Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, bắt đầu từ tháng 1/2019 đến tháng 12/2019, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và tổng kết báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công máy in 3D SLA với khổ in 70x125x150 mm
    Máy in được thiết kế với truyền động vít me – đai ốc trục Z, sử dụng động cơ bước mã 42H47HM-0504A-18, đảm bảo độ chính xác lớp in dưới 50 µm. Thời gian hoạt động lý thuyết của cụm trục Z đạt khoảng 21.900 giờ (tương đương 5 năm hoạt động liên tục 12 giờ/ngày).

  2. Độ bền kéo và uốn của sản phẩm in đạt yêu cầu kỹ thuật
    Thử nghiệm độ bền kéo và uốn trên mẫu nhựa resin in 3D cho thấy sản phẩm có khả năng chịu lực tốt, phù hợp với các ứng dụng trong y học và trang sức. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ bền kéo đạt khoảng 85% so với mẫu chuẩn, trong khi độ bền uốn đạt khoảng 90%.

  3. Ảnh hưởng của các thông số in đến chất lượng sản phẩm
    Thay đổi độ dày lớp in (layer thickness) từ 0.05 mm đến 0.1 mm ảnh hưởng rõ rệt đến độ mịn bề mặt và độ chính xác kích thước. Thời gian phơi sáng (normal exposure time) và góc in (beta angle) cũng tác động đến độ cứng và độ bền của sản phẩm, với thời gian phơi sáng tối ưu khoảng 8-10 giây/lớp.

  4. Hiệu quả sử dụng màn hình LCD và nguồn sáng UV
    Màng hình LCD có độ phân giải 2560x1440 (2K) giúp kiểm soát chính xác vùng chiếu sáng, làm đông cứng nhựa resin theo từng lớp. Nguồn sáng UV photon được thiết kế với hệ thống tản nhiệt nhôm lớn giúp duy trì nhiệt độ ổn định, kéo dài tuổi thọ linh kiện.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy máy in 3D SLA do nhóm nghiên cứu thiết kế có khả năng tạo mẫu với độ chính xác cao, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong các lĩnh vực đòi hỏi chi tiết tinh xảo như y học, trang sức và cơ khí chính xác. Việc sử dụng truyền động vít me – đai ốc trục Z kết hợp động cơ bước giúp kiểm soát chính xác vị trí di chuyển, giảm thiểu sai số tích lũy trong quá trình in.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, độ phân giải lớp in đạt 10 µm của máy nghiên cứu tương đương hoặc vượt trội so với các máy in SLA thương mại. Độ bền cơ học của sản phẩm in cũng phù hợp với các tiêu chuẩn ứng dụng thực tế, mở rộng khả năng ứng dụng trong sản xuất mẫu nhanh và gia công chi tiết.

Việc sử dụng phần mềm CAD/CAM tích hợp Anycubic Slicer và phần mềm điều khiển giúp tối ưu hóa quá trình cắt lớp và điều khiển máy, cân bằng giữa chất lượng in và tốc độ in. Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa layer thickness, thời gian phơi sáng và độ bền sản phẩm có thể minh họa rõ ràng hiệu quả của các thông số này.

Tuy nhiên, một số hạn chế như chi phí linh kiện LCD và nguồn sáng UV vẫn còn cao, ảnh hưởng đến giá thành máy. Ngoài ra, việc bảo trì và thay thế màng hình LCD cần được chú ý để duy trì chất lượng in ổn định.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình in bằng việc điều chỉnh thông số lớp in và thời gian phơi sáng
    Đề xuất áp dụng layer thickness từ 0.05 đến 0.07 mm và thời gian phơi sáng 8-10 giây/lớp để đạt chất lượng bề mặt và độ bền tối ưu. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn vận hành máy. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành máy in.

  2. Nâng cấp hệ thống tản nhiệt cho nguồn sáng UV
    Cải tiến thiết kế nhôm tản nhiệt để giảm nhiệt độ hoạt động, kéo dài tuổi thọ màng hình LCD và đèn photon. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm kỹ thuật bảo trì và phát triển sản phẩm.

  3. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp nâng cao
    Tích hợp thêm các chức năng tự động dừng in khi mất điện và tiếp tục in khi có điện trở lại, giảm thiểu rủi ro mất sản phẩm. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển phần mềm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở sản xuất mẫu nhanh
    Tổ chức các khóa đào tạo vận hành, bảo trì và ứng dụng máy in 3D SLA cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM phối hợp với các đơn vị sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy
    Giúp hiểu rõ về thiết kế cơ khí, truyền động và điều khiển trong máy in 3D SLA, phục vụ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất mẫu nhanh và gia công chính xác
    Áp dụng công nghệ in 3D SLA để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thời gian và chi phí sản xuất mẫu thử.

  3. Ngành y học và nha khoa
    Sử dụng máy in 3D SLA để tạo mẫu mô hình giải phẫu, thiết bị y tế và phục hình nha khoa với độ chính xác cao.

  4. Ngành trang sức và thiết kế sản phẩm tinh xảo
    Ứng dụng công nghệ in 3D SLA để tạo mẫu trang sức phức tạp, giảm chi phí đầu tư và tăng tính sáng tạo trong thiết kế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy in 3D SLA có ưu điểm gì so với các công nghệ in 3D khác?
    Máy in 3D SLA có độ phân giải cao (khoảng 10 µm), cho sản phẩm mịn, chính xác, tốc độ in nhanh hơn nhờ sử dụng tia laser UV và nhựa photopolymer. Ví dụ, sản phẩm in bằng SLA có thể dùng trong y học và trang sức đòi hỏi chi tiết tinh xảo.

  2. Độ bền của sản phẩm in 3D SLA có đảm bảo không?
    Sản phẩm in bằng nhựa resin qua công nghệ SLA có độ bền kéo đạt khoảng 85% so với mẫu chuẩn, đủ đáp ứng các ứng dụng trong y học và cơ khí nhẹ. Thử nghiệm uốn cũng cho kết quả tốt với khoảng 90% độ bền so với tiêu chuẩn.

  3. Làm thế nào để bảo trì màng hình LCD trong máy in 3D SLA?
    Nên lau màng hình LCD bằng cồn trắng 90 độ trước khi in để tránh ám màu, đồng thời kiểm tra độ sáng và pixel thường xuyên để phát hiện hư hỏng kịp thời, tránh làm hỏng sản phẩm in.

  4. Phương pháp truyền động vít me – đai ốc có ưu điểm gì trong máy in 3D SLA?
    Truyền động vít me – đai ốc có hiệu suất cao, ít trượt, vận hành êm, đảm bảo độ chính xác chuyển động trục Z, từ đó nâng cao chất lượng lớp in và độ chính xác sản phẩm.

  5. Có thể ứng dụng máy in 3D SLA trong lĩnh vực nào ngoài y học và trang sức?
    Ngoài y học và trang sức, máy in 3D SLA còn được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, sản xuất thiết bị điện tử, mô hình kiến trúc và giáo dục kỹ thuật, nhờ khả năng tạo mẫu nhanh và chính xác.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D SLA với khổ in 70x125x150 mm, độ chính xác lớp in dưới 50 µm.
  • Thử nghiệm sản phẩm in cho thấy độ bền kéo và uốn đạt khoảng 85-90% so với tiêu chuẩn, phù hợp ứng dụng thực tế.
  • Phương pháp truyền động vít me – đai ốc kết hợp động cơ bước đảm bảo chuyển động chính xác, ổn định cho trục Z.
  • Hệ thống phần mềm CAD/CAM và điều khiển tích hợp giúp tối ưu hóa quy trình in, cân bằng giữa chất lượng và tốc độ.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống tản nhiệt, phần mềm điều khiển và đào tạo chuyển giao công nghệ trong 12 tháng tới.

Luận văn mở ra hướng phát triển máy in 3D SLA phù hợp với điều kiện trong nước, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và nghiên cứu. Đề nghị các đơn vị sản xuất và nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện, ứng dụng rộng rãi công nghệ này để nâng cao năng lực cạnh tranh và đổi mới sáng tạo.