Đặt vấn đề Công nghệ in 3D hay còn gọi là Công nghệ bồi đắp vật liệu (AM - Additive Manufacturing) là một phương thức chế tạo sản phẩm bằng cách “đắp” từng lớp vật liệu lên nhau, mô phỏng theo thiết kế đã được vẽ sẵn trên phần mềm CAD (Computer Aided Design). Với công nghệ này có thể chế tạo sản phẩm một cách nhanh chóng với chi phí và thời gian được giảm đáng kể so với các công nghệ chế tạo truyền thống. Một trong số những ưu điểm nỗi bật của công nghệ AM là có thể tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể chế tạo được. Hiện nay, công nghệ AM bao gồm rất nhiều công nghệ như: FDM (Fused Deposition Modeling), LOM (Laminated Object Manufacturing), SLS (Selective Laser Sintering), SLA (Stereolithography),…Trong đó, công nghệ FDM là công nghệ phổ biến nhất do giá thành rẻ và sử dụng các loại vật liệu thông dụng, dễ tìm và thân thiện đối với môi trường.[19] Công nghệ FDM sử dụng nguyên lí đùn sợi nhựa được gia nhiệt tới trạng thái bán lỏng qua một vòi phun và bồi đắp theo từng lớp để tạo hình sản phẩm.
Mặc dù công nghệ FDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng như: công nghiệp sản xuất chế tạo, y tế và chăm sóc sức khỏe, kiến trúc, xây dựng, giáo dục,… nhất là trong lĩnh vực chế tạo ra các chi tiết sử dụng ngay. Tuy nhiên chất lượng của sản phẩm FDM còn cần phải được nghiên cứu và cải tiến thêm để đáp ứng nhu cầu của khách hàng, đặc biệt là cơ tính của sản phẩm in được. Để góp phần vào định hướng giảm chi phí chế tạo, cải tiến chất lượng sản phẩm in sử dụng công nghệ FDM, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D theo công nghệ FDM đến độ bền kéo sản phẩm nhựa” đã được triển khai thực hiện. Kết quả của đề tài sẽ góp phần giúp cho các cơ sở chế tạo máy và sản xuất các sản phẩm sử dụng công nghệ FDM có các thông số công nghệ khả thi áp dụng vào quy trình chế tạo, sản xuất.
Tình hình công nghệ in 3D một số nước trên thế giới Hiện nay, công nghệ in 3D đã được phổ biến trên khắp thế giới. Số lượng tác giả nghiên cứu về công nghệ này tăng theo từng năm, tập trung nhiều ở các nước như: Anh, Mỹ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc,… 1. Về quá trình phát triển của công nghệ Anh: Để phát triển công nghệ in 3D ở nước mình, chính phủ Anh đã xây dựng một trung tâm về in 3D cấp quốc gia với chi phí đầu tư gần 30 triệu USD. [15] Mỹ: Chính phủ Mỹ đã triển khai kế hoạch trang bị máy in 3D cho học sinh trên toàn nước mỹ dự kiến khoảng 70.000 trường học.
Ngoài ra, nhiều tổ chức quốc gia của Mỹ đều triển khai nghiên cứu và ứng dụng in 3D như: Viện quốc gia về sáng kiến chế tạo cộng Mỹ (NAMII), Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), Viện Y khoa Hồi sức (AFIRM),…[15] Hình 1.1: Máy in 3D do công ty 3D Systems của Mỹ sản xuất [15] Đức: Năm 2012, Thủ tướng Đức Angela Merkle đã công bố dự án phát triển Công nghiệp 4.0 trong đó có công nghệ in 3D với khoản kinh phí 500 triệu Euro trong 3 năm. Năm 2016, GE đã đầu tư hơn 1,3 tỷ USD cho hoạt động sản xuất, chế tạo của công ty Concept laser, công ty in 3D tư nhân của Đức và công ty chế tạo máy in 3D của Thụy Điển mang tên Arcam. [15] Nhật Bản: Chính phủ Nhật Bản đã công bố kế hoạch hỗ trợ việc sử dụng máy in 3D cho các trường học, theo kế hoạch đó, chính phủ nhật sẽ hỗ trợ đầu tư trang thiết bị cho các trường đại học về in 3D và sẽ dành ngân sách khoảng 44 triệu USD để hỗ trợ các hoạt động phát triển và nghiên cứu công nghệ in 3D cho kim loại. [15] Hàn Quốc: Chính phủ Hàn Quốc luôn xem công nghệ In 3D là một trong những công nghệ chính để cho Hàn Quốc phát triển.
Chiến lược phát triển in 3D của Hàn Quốc vạch ra cho thời gian 10 năm. Trong 5 năm đầu đặt dấu ấn đặc biệt liên quan đến công nghiệp ô tô, y tế và điện tử. Năm năm sau nhắm đến ứng dụng rộng rãi cho mọi ngành. Trong năm 2017, Hàn Quốc triển khai máy in 3D cho 277 thư viện, 5885 2 Luan van trường học và cho đến năm 2020, khoảng 10 triệu người dân Hàn Quốc có thể sử dụng máy in 3D.
Bên cạnh đó, quốc gia này đã đầu tư công nghệ in 3D vào ngành đóng tàu với kinh phí lên đến 20 triệu USD.2: Máy in 3D Cubicon do Hàn Quốc sản xuất [15] Trung Quốc: Chính phủ Trung Quốc đang từng bước phổ biến công nghệ in 3D đến với người dân, kinh phí đầu tư tăng theo từng năm, cụ thể là: Năm 2012, Chính phủ Trung Quốc cấp 6,5 triệu USD cho nghiên cứu về công nghệ in 3D. Năm 2013, Chính phủ nước này cam kết đầu tư 245 triệu USD cho công nghệ in 3D trong suốt 7 năm. [15] Singapore: Chính phủ Singapore đã đầu tư xây dựng các trung tâm phát triển công nghệ in 3D nhằm biến Singapore thành một trong những quốc gia dẫn đầu Châu Á về công nghệ in 3D, cạnh tranh với các nước phát triển tại Châu Âu và Châu Mỹ. Năm 2014, Đại học công nghệ Nanyang (NTU) cho ra mắt Trung tâm Singapore nghiên cứu in 3D với khoản đầu tư 30 triệu USD, định hướng nghiên cứu, ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, vũ trụ và quốc phòng.
[15] Thái Lan: Chính phủ Thái Lan cũng có nhiều chương trình đẩy mạnh sự phát triển của công nghệ in 3D. Viện sức khỏe trẻ em Quốc gia Thái Lan (QSNICH) khuyến khích đội ngũ bác sỹ, y tá tích cực tham gia cộng đồng in 3D và ứng dụng rộng rãi công nghệ này. [15] Ngoài ra còn rất nhiều quốc gia khác trên thế giới cũng quan tâm, ứng dụng và phát triển công nghệ in 3D. Các nước đều có chính sách, chiến lược, chương trình về ứng dụng, nghiên cứu và phát triển các quy trình và thiết bị in 3D.
Định hướng tương lai công nghệ in 3D không chỉ phục vụ cho sản xuất hàng tiêu dùng mà còn phục vụ cho 3 Luan van chấn thương chỉnh hình cụ thể là giải quyết cho các bệnh nhân bị gãy xương khớp, vỡ và trật khớp xương. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở ngoài nước: Đề tài “Ảnh hưởng của các thông số độ dày lớp đến các tính chất cơ học và độ chính xác của vật liệu ABS.” [1] Pritish Shubha, Arnab Sikidarn, Teg Chand [1] đã nghiên cứu và đưa ra kết luận rằng độ dày lớp in đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các cơ chế của vật liệu ABS. Khi độ dày lớp tăng thì độ bền kéo giảm, độ cứng giảm và độ chính xác mẫu giảm. Đề tài “Analysis of mechanical behavior of 3D printed ABS parts by experiments”.[4] Divyathej M V, Varun M, Rajeev P [4] đã nghiên cứu các đặc tính cơ học và đặc trưng của vật thể in 3D bằng cách thay đổi các tham số như độ dày lớp, hướng,.
thông qua các thử nghiệm khác nhau như kiểm tra độ bền kéo, thử nén, kiểm tra uốn và kiểm tra tác động để xác định các hư hỏng của vật liệu. Dựa trên kết quả thực nghiệm, đề xuất phương pháp in và độ dày của mỗi lớp. Các thử nghiệm được thực hiện cho thấy các sản phẩm FDM có đặc tính dị hướng. Thử nghiệm độ bền kéo ở độ dày lớp 0,1mm đã cho kết quả tốt hơn, độ bền uốn ở độ dày 0,15mm cho kết quả tối ưu, độ bền nén ở độ dày 0,2 mm cho kết quả tốt nhất.
Đề tài “Process Parameter Optimization for FDM 3D Printer” [5] Nhóm nghiên cứu bao gồm Yash Magdum, Divyansh Pandey, Akash Bankar, Shantanu Harshe, Vasudev Parab, Mr. Mahesh Shivaji Kadam [5] thực hiện “Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số in 3D”. Tiến hành thử nghiệm thay đổi các thông số độ dày từng lớp in khác nhau (0,1 mm, 0,2 mm và 0,3 mm), độ dày vỏ (0,6mm, 0,8mm và 1,0mm), mật độ điền đầy (50%, 75% và 100%), để xác định sự ảnh hưởng đến tính chất cơ học và độ chính xác của mẫu in. Sử dụng vật liệu nhựa PLA, với nhiệt độ đầu phun là 215°C.
Sau khi tiến hành thí nghiệm đã chỉ ra rằng tính chất cơ học và độ chính xác mẫu in tăng khi độ dày từng lớp in nhỏ, độ dày vỏ tăng và mật độ điền đầy tăng. Đề tài “Experimental Characterization of the Mechanical Properties of 3D- Printed ABS and Polycarbonate Parts”. [6] Jason Cantrell, Sean Rohde, David Damiani, Rishi Gurnani, Luke DiSandro, Josh Anton, Andie Young, Alex Jerez, Douglas Steinbach, Calvin Kroese, and Peter Ifju, [6] “Experimental Characterization of the Mechanical Properties of 3D-Printed ABS and Polycarbonate Parts”, bài báo này nghiên cứu phương pháp và kết quả của đặc tính thực nghiệm của ba chiều (3D) các bộ phận được in bằng nhựa ABS và 4 Luan van polycarbonate (PC) sử dụng tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) với mẫu vật được in với các raster khác nhau ([+ 45 / -45], [+ 30 / -60], [+ 15 / -75] và [0/90]) và định hướng xây dựng (phẳng, trên cạnh và lên trên bên phải) để xác định tính chất định hướng của vật liệu. Dựa trên kết quả về mật độ năng lượng và cường độ biến dạng, kết quả nghiên cứu cho thấy các mẫu có độ bền kéo cao nhất khi hướng phẳng [+45 / -45].
Ngược lại với kết quả độ bền kéo, định hướng phẳng [0/90] có các tính chất vật liệu kém nhất với mô đun cắt thấp hơn 18% so với bất kỳ raster định hướng phẳng [+ 45 / - 45]. Đề tài “Determination and Comparison of the Anisotropic Strengths of Fused Deposition Modeling P400 ABS”. Các thử nghiệm độ bền kéo, nén, tác động của Izod và độ cứng đã được thực hiện trên mẫu vật được xây dựng theo hướng ngang và dọc với ý định tìm kiếm hướng xây dựng mang lại độ chắc chắn tối đa trong một điều kiện làm việc cụ thể. Các kết luận sau đây có thể được rút ra cơ sở của nghiên cứu này: (a) Định hướng xây dựng ngang (X) tạo ra các bộ phận có độ bền kéo lớn hơn so với hướng dọc (Z).
(b) Định hướng xây dựng dọc (Z) tạo ra các bộ phận có độ bền nén lớn hơn định hướng ngang. (c) Định hướng ngang tạo ra các phần khó khăn hơn với khả năng chống va đập nhiều hơn hơn định hướng dọc. (d) Định hướng thẳng đứng tạo ra các bộ phận cứng hơn với khả năng chống biến dạng hơn định hướng dọc.