Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D, hay còn gọi là sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing - AM), đang trở thành một trong những xu hướng chủ đạo trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Trong đó, công nghệ Mô hình hợp nhất lắng đọng (Fused Deposition Modeling - FDM) được sử dụng phổ biến nhất do tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng ứng dụng rộng rãi. Theo ước tính, thị trường in 3D toàn cầu đạt giá trị hàng tỷ USD và dự kiến tiếp tục tăng trưởng mạnh trong những năm tới. Tuy nhiên, chất lượng sản phẩm in 3D, đặc biệt là độ bền cơ học, vẫn còn là thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp như cơ khí, ô tô, hàng không và y tế.

Luận văn này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số in 3D công nghệ FDM đến độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA (Polylactic Acid) – một loại nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học được sử dụng phổ biến trong in 3D. Mục tiêu cụ thể là đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số như số lớp thành, lớp in trên cùng, nhiệt độ đùn, mật độ điền đầy và kiểu điền đầy đến đặc tính uốn của sản phẩm. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ năm 2019 đến 2020 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng máy in 3D FDM và vật liệu PLA.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm để tối ưu hóa thông số in 3D, từ đó nâng cao chất lượng và độ bền của sản phẩm in, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất công nghiệp và đời sống. Kết quả nghiên cứu cũng là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về cải tiến công nghệ in 3D và phát triển vật liệu mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về công nghệ in 3D FDM và lý thuyết về độ bền uốn của vật liệu nhựa. Công nghệ FDM hoạt động dựa trên nguyên lý đùn nhựa nhiệt dẻo nóng chảy thành từng lớp mỏng chồng lên nhau để tạo thành sản phẩm ba chiều. Các thông số kỹ thuật quan trọng trong FDM bao gồm độ dày lớp in (Layer Height), nhiệt độ đầu đùn (Extruder Temperature), mật độ điền đầy (Infill Density), kiểu điền đầy (Infill Pattern), và số lớp vỏ dọc (Perimeters).

Về độ bền uốn, tiêu chuẩn ASTM D790-15 được áp dụng để đánh giá khả năng chịu lực uốn của mẫu thử. Các khái niệm chính bao gồm ứng suất uốn lớn nhất ($\sigma$), tải trọng lớn nhất tại điểm phá hủy (P), và các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền như cấu trúc lớp in, mật độ vật liệu và nhiệt độ xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố (One-Factor-at-a-Time) để khảo sát ảnh hưởng của từng thông số in đến độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA. Mẫu thử được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM D790-15 với kích thước 127 x 12,7 x 3,2 mm, in trên máy FDM sử dụng vật liệu PLA.

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm kéo uốn trên máy kéo nén vạn năng Shimadzu Autograph AG-X 20 kN. Cỡ mẫu mỗi nhóm thí nghiệm khoảng 5-7 mẫu để đảm bảo độ tin cậy. Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng phương pháp thống kê mô tả và so sánh tỷ lệ phần trăm thay đổi độ bền uốn khi thay đổi từng thông số.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2019 đến tháng 5/2020, bao gồm các bước: tổng hợp tài liệu, thiết kế mẫu, in thử nghiệm, đo đạc và phân tích kết quả. Phần mềm hỗ trợ gồm SolidWorks để thiết kế mẫu và Repetier Host để điều chỉnh thông số in.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của kiểu điền đầy (Infill Pattern): Đây là thông số duy nhất trong số các thông số khảo sát có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền uốn của sản phẩm. Mẫu in với kiểu điền đầy dạng Honeycomb cho độ bền uốn cao hơn khoảng 15% so với kiểu Line và Rectilinear.

  2. Mật độ điền đầy (Infill Density): Khi tăng mật độ điền đầy từ 20% lên 80%, độ bền uốn tăng khoảng 10%, tuy nhiên mức tăng không đồng đều và có xu hướng bão hòa ở mật độ cao.

  3. Nhiệt độ đầu đùn (Extruder Temperature): Nhiệt độ đùn trong khoảng 180°C đến 230°C ảnh hưởng nhẹ đến độ bền uốn, với nhiệt độ tối ưu khoảng 210°C cho độ bền cao nhất, tăng khoảng 5% so với nhiệt độ thấp nhất.

  4. Số lớp vỏ dọc (Perimeters) và lớp in trên cùng (Top Layer): Thay đổi số lớp vỏ dọc từ 2 lên 4 và lớp in trên cùng từ 2 lên 5 không làm thay đổi đáng kể độ bền uốn, với sự biến động dưới 3%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy kiểu điền đầy ảnh hưởng mạnh mẽ đến cấu trúc bên trong và khả năng chịu lực uốn của sản phẩm in 3D. Kiểu Honeycomb tạo ra cấu trúc tổ ong phân bố đều, giúp phân tán ứng suất tốt hơn so với các kiểu điền đầy dạng đường thẳng hoặc lưới. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước, trong đó nhấn mạnh vai trò của cấu trúc nội thất trong việc cải thiện tính cơ học của sản phẩm FDM.

Mật độ điền đầy tăng làm tăng khối lượng vật liệu chịu lực, từ đó nâng cao độ bền, nhưng chi phí và thời gian in cũng tăng theo, do đó cần cân nhắc tối ưu giữa chất lượng và hiệu quả sản xuất. Nhiệt độ đầu đùn ảnh hưởng đến sự liên kết giữa các lớp vật liệu, nhiệt độ quá thấp gây giảm liên kết, nhiệt độ quá cao có thể làm biến dạng vật liệu.

Các thông số như số lớp vỏ dọc và lớp in trên cùng ít ảnh hưởng hơn, có thể do chúng chỉ tác động đến bề mặt và lớp ngoài của sản phẩm, không ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc bên trong chịu lực chính. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bền uốn theo từng thông số, giúp trực quan hóa mức độ ảnh hưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu kiểu điền đầy: Khuyến nghị sử dụng kiểu điền đầy Honeycomb để nâng cao độ bền uốn sản phẩm in 3D. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất và kỹ sư thiết kế sản phẩm, áp dụng trong vòng 3-6 tháng để cải tiến quy trình in.

  2. Điều chỉnh mật độ điền đầy hợp lý: Đề xuất mật độ điền đầy từ 50% đến 80% để cân bằng giữa độ bền và chi phí sản xuất. Các doanh nghiệp cần thử nghiệm thực tế để xác định mức tối ưu phù hợp với từng loại sản phẩm.

  3. Kiểm soát nhiệt độ đầu đùn: Đặt nhiệt độ đầu đùn khoảng 210°C cho vật liệu PLA để đảm bảo liên kết giữa các lớp tốt nhất, giảm thiểu lỗi in và tăng độ bền. Kỹ thuật viên vận hành máy in cần được đào tạo và giám sát thường xuyên.

  4. Nâng cao nhận thức về thông số in: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư và công nhân vận hành máy in 3D về ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật đến chất lượng sản phẩm. Thời gian triển khai trong 6 tháng đầu năm tiếp theo.

  5. Phát triển nghiên cứu tiếp theo: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của các thông số khác như tốc độ in, hướng in, và vật liệu mới để hoàn thiện hơn quy trình sản xuất. Các viện nghiên cứu và trường đại học nên phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và sản xuất trong ngành cơ khí: Giúp hiểu rõ ảnh hưởng của thông số in 3D đến độ bền sản phẩm, từ đó tối ưu thiết kế và quy trình sản xuất.

  2. Doanh nghiệp ứng dụng công nghệ in 3D: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm để cải tiến chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, công nghệ vật liệu: Là tài liệu tham khảo khoa học, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ in 3D và vật liệu PLA.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu in 3D: Cung cấp cơ sở dữ liệu về ảnh hưởng các thông số in đến tính chất cơ học, hỗ trợ phát triển vật liệu mới và công nghệ in tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn vật liệu PLA cho nghiên cứu?
    PLA là nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học, thân thiện môi trường, dễ in và phổ biến trong in 3D. Nó có độ cứng cao hơn ABS, phù hợp cho các sản phẩm cần độ bền uốn tốt.

  2. Thông số nào ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền uốn?
    Kiểu điền đầy (Infill Pattern) được xác định là thông số có ảnh hưởng lớn nhất, với kiểu Honeycomb cho độ bền uốn cao hơn khoảng 15% so với các kiểu khác.

  3. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các vật liệu khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho PLA và công nghệ FDM, tuy nhiên nguyên lý ảnh hưởng của thông số có thể tương tự với các vật liệu nhiệt dẻo khác, cần nghiên cứu bổ sung để xác nhận.

  4. Làm thế nào để cân bằng giữa độ bền và chi phí in 3D?
    Điều chỉnh mật độ điền đầy từ 50-80% giúp tăng độ bền mà không làm tăng chi phí quá nhiều. Ngoài ra, chọn kiểu điền đầy tối ưu cũng giúp tiết kiệm vật liệu.

  5. Nhiệt độ đầu đùn ảnh hưởng như thế nào đến sản phẩm?
    Nhiệt độ đầu đùn ảnh hưởng đến sự liên kết giữa các lớp vật liệu. Nhiệt độ quá thấp làm giảm liên kết, gây giòn; quá cao có thể làm biến dạng sản phẩm. Nhiệt độ tối ưu khoảng 210°C cho PLA.

Kết luận

  • Công nghệ in 3D FDM với vật liệu PLA là giải pháp hiệu quả cho sản xuất các chi tiết cơ khí có độ bền uốn cao.
  • Kiểu điền đầy là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ bền uốn, trong đó kiểu Honeycomb tối ưu nhất.
  • Mật độ điền đầy và nhiệt độ đầu đùn cũng ảnh hưởng tích cực nhưng mức độ thấp hơn.
  • Các thông số như số lớp vỏ dọc và lớp in trên cùng ít ảnh hưởng đến độ bền uốn.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm để tối ưu hóa quy trình in 3D, hỗ trợ phát triển ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu tiếp theo.

Next steps: Triển khai áp dụng các thông số tối ưu trong sản xuất thực tế, mở rộng nghiên cứu các thông số khác và vật liệu mới.

Call-to-action: Các nhà sản xuất và nghiên cứu hãy áp dụng kết quả này để nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D, đồng thời tiếp tục nghiên cứu để phát triển công nghệ in 3D bền vững và hiệu quả hơn.