Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D, đặc biệt là công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling), đã trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp chế tạo, y tế, kiến trúc và giáo dục. Theo ước tính, công nghệ FDM chiếm tỷ trọng lớn trong thị trường in 3D toàn cầu nhờ ưu điểm về chi phí thấp, vật liệu phổ biến và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, chất lượng sản phẩm in 3D, đặc biệt là độ bền kéo của sản phẩm nhựa, vẫn còn nhiều hạn chế do ảnh hưởng của các thông số in 3D chưa được tối ưu hóa hoàn toàn.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số in 3D theo công nghệ FDM đến độ bền kéo sản phẩm nhựa. Mục tiêu cụ thể là xác định các thông số như vật liệu in, mật độ điền đầy, kiểu điền đầy bên trong và mặt trên/dưới, số lớp thành, số lớp in mặt trên và mặt dưới, độ dày lớp in đầu tiên và độ dày từng lớp in ảnh hưởng như thế nào đến độ bền kéo của sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu in 3D với vật liệu ABS, PLA và PETG, trong khoảng thời gian từ 2018 đến 2020 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian sản xuất, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các doanh nghiệp và kỹ sư trong việc lựa chọn thông số in phù hợp nhằm tối ưu hóa độ bền kéo của sản phẩm nhựa in 3D.

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 về công nghệ in 3D, đặc biệt là công nghệ FDM, một phương pháp bồi đắp vật liệu bằng cách đùn sợi nhựa nhiệt dẻo qua đầu phun gia nhiệt theo từng lớp. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Vật liệu in 3D: ABS, PLA và PETG là ba loại vật liệu phổ biến được nghiên cứu, mỗi loại có đặc tính cơ học và nhiệt độ in khác nhau ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
  • Mật độ điền đầy (Infill Density): Tỷ lệ phần trăm vật liệu bên trong mẫu in, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và trọng lượng sản phẩm.
  • Kiểu điền đầy (Infill Pattern): Các mẫu tổ chức vật liệu bên trong như tổ ong (Honeycomb), đồng tâm (Concentric), và các kiểu khác ảnh hưởng đến tính chất cơ học.
  • Độ dày lớp in (Layer Height) và độ dày lớp đầu tiên (First Layer Height): Quyết định độ phân giải và độ bám dính của sản phẩm.
  • Số lớp thành (Perimeters) và số lớp in mặt trên/dưới (Solid Layers): Ảnh hưởng đến độ chắc chắn và bề mặt sản phẩm.

Các lý thuyết về ảnh hưởng của các thông số này đến cơ tính sản phẩm được tổng hợp từ các nghiên cứu trong và ngoài nước, đồng thời được bổ sung bằng các thí nghiệm thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các tài liệu khoa học trong và ngoài nước về công nghệ in 3D, các bài báo chuyên ngành, cùng với dữ liệu thực nghiệm thu thập từ 115 mẫu in 3D được chế tạo theo tiêu chuẩn ISO 3167 mẫu A1. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thiết kế thí nghiệm Taguchi: Sử dụng để tối ưu hóa và giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, đảm bảo độ tin cậy cao với chi phí và thời gian hợp lý.
  • Phân tích thống kê: Sử dụng phần mềm Minitab R16 để phân tích kết quả thí nghiệm, xác định mức độ ảnh hưởng của từng thông số đến độ bền kéo.
  • Thí nghiệm kéo: Mỗi thí nghiệm được thực hiện trên 5 mẫu in với các thông số khác nhau, đo độ bền kéo trung bình để đánh giá.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 02/2018 đến tháng 05/2020 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với sự hướng dẫn của PGS. Phạm Sơn Minh và TS. Nguyễn Vinh Dự.

Phần mềm điều khiển in 3D sử dụng là Repetier Host, giúp cài đặt và điều chỉnh các thông số in như vật liệu, mật độ điền đầy, kiểu điền đầy, độ dày lớp in, số lớp thành, v.v.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vật liệu đến độ bền kéo: Mẫu in sử dụng vật liệu PETG đạt độ bền kéo cao nhất, vượt trội hơn so với ABS và PLA. Biểu đồ thể hiện độ bền kéo của PETG cao hơn khoảng 15-20% so với PLA và 10-12% so với ABS.

  2. Mật độ điền đầy: Độ bền kéo tăng rõ rệt khi mật độ điền đầy tăng từ 50% lên 70%, với mức tăng khoảng 25%. Mật độ điền đầy cao giúp tăng khả năng chịu lực kéo do cấu trúc bên trong chắc chắn hơn.

  3. Kiểu điền đầy bên trong và mặt trên/dưới: Kiểu điền đầy tổ ong (Honeycomb) và đồng tâm (Concentric) cho kết quả độ bền kéo tốt nhất, cao hơn 18% so với các kiểu điền đầy khác như Rectilinear hay Hilbert Curve. Kiểu điền đầy mặt trên/dưới dạng đồng tâm cũng giúp tăng độ bền kéo lên khoảng 12%.

  4. Số lớp thành và số lớp in mặt trên/dưới: Số lớp thành thấp nhất (2 lớp) và số lớp in mặt trên/dưới là 3 lớp được xác định là tối ưu, giúp mẫu in đạt độ bền kéo cao nhất, tăng khoảng 10% so với số lớp thành cao hơn.

  5. Độ dày lớp in và lớp đầu tiên: Độ dày từng lớp in và lớp đầu tiên chọn giá trị nhỏ nhất (0,3 mm) giúp tăng độ bền kéo lên đến 20% so với các giá trị lớn hơn (0,35 mm và 0,4 mm). Lớp đầu tiên mỏng giúp tăng độ bám dính và giảm hiện tượng cong vênh.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy các thông số in 3D theo công nghệ FDM có ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền kéo của sản phẩm nhựa. Vật liệu PETG với đặc tính cơ học tốt và độ bám dính lớp cao giúp sản phẩm có độ bền kéo vượt trội. Mật độ điền đầy cao làm tăng khối lượng vật liệu bên trong, giảm các khoảng trống, từ đó tăng khả năng chịu lực kéo.

Kiểu điền đầy tổ ong và đồng tâm tạo cấu trúc phân bố lực đều, giúp giảm ứng suất tập trung và tăng độ bền. Số lớp thành và lớp in mặt trên/dưới ảnh hưởng đến độ dày vỏ sản phẩm, lớp vỏ dày vừa phải giúp cân bằng giữa độ chắc chắn và tiết kiệm vật liệu. Độ dày lớp in nhỏ giúp tăng độ chính xác và liên kết giữa các lớp, giảm hiện tượng tách lớp khi chịu lực kéo.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng của độ dày lớp và mật độ điền đầy đến cơ tính sản phẩm. Biểu đồ và bảng số liệu trong luận văn minh họa rõ ràng sự thay đổi độ bền kéo theo từng thông số, giúp dễ dàng nhận diện các yếu tố quan trọng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa vật liệu in: Ưu tiên sử dụng vật liệu PETG cho các sản phẩm yêu cầu độ bền kéo cao, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp và y tế. Thời gian áp dụng: ngay lập tức; Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất và kỹ sư thiết kế sản phẩm.

  2. Điều chỉnh mật độ điền đầy: Đề xuất sử dụng mật độ điền đầy tối thiểu 70% để đảm bảo độ bền kéo, đồng thời cân nhắc chi phí vật liệu. Thời gian áp dụng: 3-6 tháng; Chủ thể thực hiện: bộ phận sản xuất và vận hành máy in.

  3. Lựa chọn kiểu điền đầy phù hợp: Áp dụng kiểu điền đầy tổ ong hoặc đồng tâm cho phần lõi và mặt trên/dưới để tăng độ bền và tính thẩm mỹ. Thời gian áp dụng: 3 tháng; Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và lập trình máy in.

  4. Kiểm soát số lớp thành và lớp in mặt trên/dưới: Giữ số lớp thành ở mức 2 và số lớp in mặt trên/dưới là 3 để cân bằng giữa độ bền và thời gian in. Thời gian áp dụng: 1-2 tháng; Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành máy in.

  5. Giảm độ dày lớp in và lớp đầu tiên: Sử dụng độ dày lớp in 0,3 mm và lớp đầu tiên 0,3 mm để tăng độ bám dính và giảm hiện tượng cong vênh. Thời gian áp dụng: ngay lập tức; Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên và nhà thiết kế quy trình in.

Các giải pháp trên không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giúp tiết kiệm chi phí và thời gian sản xuất, góp phần tăng sức cạnh tranh cho các doanh nghiệp ứng dụng công nghệ FDM.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và sản xuất sản phẩm in 3D: Giúp lựa chọn thông số in phù hợp để tối ưu hóa độ bền kéo và chất lượng sản phẩm, giảm thiểu lỗi in và chi phí vật liệu.

  2. Các doanh nghiệp ứng dụng công nghệ FDM: Cung cấp cơ sở khoa học để cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ điện tử, kỹ thuật vật liệu: Là tài liệu tham khảo quan trọng về ảnh hưởng các thông số in 3D đến cơ tính sản phẩm, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  4. Các trung tâm đào tạo và giảng dạy công nghệ in 3D: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, giúp học viên hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm in 3D.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ FDM là gì và tại sao được sử dụng phổ biến?
    FDM là công nghệ in 3D bằng cách đùn sợi nhựa nhiệt dẻo qua đầu phun gia nhiệt theo từng lớp. Nó phổ biến do chi phí thấp, vật liệu dễ tìm và thân thiện môi trường, phù hợp với nhiều ứng dụng từ công nghiệp đến giáo dục.

  2. Vật liệu nào cho độ bền kéo cao nhất trong nghiên cứu?
    Vật liệu PETG cho độ bền kéo cao nhất, vượt trội hơn ABS và PLA nhờ đặc tính cơ học tốt và độ bám dính lớp cao, phù hợp cho các sản phẩm yêu cầu độ bền cao.

  3. Mật độ điền đầy ảnh hưởng thế nào đến độ bền kéo?
    Mật độ điền đầy càng cao thì cấu trúc bên trong càng chắc chắn, giúp tăng độ bền kéo. Nghiên cứu cho thấy mật độ 70% trở lên giúp tăng độ bền kéo khoảng 25% so với mật độ thấp hơn.

  4. Tại sao độ dày lớp in nhỏ lại giúp tăng độ bền kéo?
    Độ dày lớp in nhỏ giúp các lớp vật liệu liên kết chặt chẽ hơn, giảm hiện tượng tách lớp khi chịu lực kéo, đồng thời tăng độ chính xác và bề mặt mịn hơn.

  5. Làm thế nào để lựa chọn kiểu điền đầy phù hợp?
    Kiểu điền đầy tổ ong và đồng tâm được khuyến nghị vì tạo cấu trúc phân bố lực đều, giảm ứng suất tập trung, giúp tăng độ bền kéo và tính thẩm mỹ của sản phẩm.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định rõ ảnh hưởng của các thông số in 3D FDM như vật liệu, mật độ điền đầy, kiểu điền đầy, số lớp thành và độ dày lớp in đến độ bền kéo sản phẩm nhựa.
  • Vật liệu PETG và mật độ điền đầy cao (70%) là yếu tố quan trọng giúp tăng độ bền kéo lên đến 25%.
  • Kiểu điền đầy tổ ong và đồng tâm cùng với số lớp thành thấp và lớp in mặt trên/dưới 3 lớp tối ưu hóa độ bền và tiết kiệm vật liệu.
  • Độ dày lớp in và lớp đầu tiên nhỏ (0,3 mm) giúp tăng độ bám dính và giảm hiện tượng cong vênh.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để các doanh nghiệp và kỹ sư lựa chọn thông số in phù hợp, nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D.

Next steps: Áp dụng các thông số tối ưu vào quy trình sản xuất thực tế, mở rộng nghiên cứu với các vật liệu và ứng dụng khác, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ tối ưu thông số in 3D.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực in 3D nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phẩm, đồng thời tiếp tục đầu tư nghiên cứu phát triển công nghệ in 3D tại Việt Nam.