CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài: Công nghệ in 3D còn được gọi là công nghệ sản xuất bồi đắp (AM – Addictive Manufacturing) là công nghệ sản xuất dựa theo hình dạng sản phẩm đã được thiết kế sẵn trên phầm mềm CAD (Computer-aided Design) bằng cách đắp dần các lớp vật liệu tạo ra sản phẩm theo từng lớp, khác với những phương pháp chế tạo trước đây như cắt gọt, đúc hay ép khuôn,… Công nghệ in 3D giúp cho việc chế tạo sản phẩm trở nên nhanh chóng, giảm chi phí và tiêu hao vật liệu trong sản xuất và có thể tạo ra được những sản phẩm khó chế tạo hoặc không thể sản xuất với những phương pháp sản xuất truyền thống.Với những ưu điểm trên, công nghệ in 3D ngày càng trở nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất cũng như đời sống hằng ngày. Ngày nay, công nghệ in 3D đã được phát triển thành nhiều công nghệ in như: Fused Deposition Modeling (FDM), Steoreolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), Laminated Object Manufacturing (LOM),…Trong đó, công nghệ FDM là công nghệ in phát triển mạnh mẽ và phổ biến nhất hiện nay vì thời gian tạo mẫu nhanh chóng, giá thành máy và vật liệu in rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc [1]. Hình 1: Sản phẩm in 3D (Nguồn: https://formlabs.com/blog/3d-printing-materials/ ) 1 Dựa trên những ưu điểm vượt trội, công nghệ in FDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: y tế, điện tử, công nghiệp, kiến trúc, giáo dục, … Vì vậy, chất lượng của sản phẩm in bằng phương pháp FDM càng phải được nghiên cứu và phát triển thêm để đáp ứng được nhu cầu của khách hàng, đặc biệt là cơ tính của sản phẩm in.2 Lý do chọn đề tài: Yếu tố nhiệt độ môi trường hoặc buồng in ảnh hưởng đặc biệt đến cơ tính của nhựa cũng như sản phẩm in 3D nhưng lại có rất ít nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in. Một số ít các nhóm nghiên cứu đã chỉ ra sự ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ buồng in đến cơ tính của sản phẩm in.
Nhóm nghiên cứu của Abrheem Hadeeyah và công sự [22] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in đến độ chính xác kích thước của mẫu in sử dụng vật liệu ABS với phương pháp FDM. Kết quả cho thấy độ chính xác về kích thước của mẫu in khi so sánh giữa máy in không có buồng in và máy in có buồng kín là như nhau, bên cạnh đó mẫu in có chất lượng bề mặt tốt hơn khi bằng máy in có buồng kín. Tác giả còn chỉ ra rằng nhiệt độ buồng in càng cao thì độ bền kéo càng giảm. Nghiên cứu của Supaphorn Thumson [24] đã chỉ ra nhiệt độ bên trong buồng in có thể thay đổi trong suốt quá trình in, điều này ảnh hưởng đến độ bám dính giữa các lớp in của vật thể in 3D.
Kết quả thử nghiệm cho thấy khi nhiệt độ buồng in tăng trên 40 °C sẽ cải thiện sự liên kết giữa các lớp in của mẫu in sử dụng vật liệu PLA dẫn đến cải thiện độ cứng của mẫu in. Một nghiên cứu khác của Yachen Zhao và cộng sự [2] đã nghiên cứu về đặc tính cơ học của vật liệu PEEK bằng phương pháp in FDM, tác giả đã thử nghiệm in mẫu in với các mức nhiệt độ buồng in khác nhau, cụ thể là 50 °C, 65 °C và 80 °C. Kết quả của nghiên cứu cho thấy nhiệt độ buồng in, nhiệt độ của đầu phun có mối quan hệ chặt chẽ với các tính chất cơ học của mẫu in và trong phạm vi thử nghiệm của nhiệt độ buồng in thì độ bền kéo đạt giá trị tối đa ở 80 °C. 2 Hiểu rõ vấn đề ấy, đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in đến cơ tính của sản phẩm thực hiện bằng phương pháp FDM” đã được nhóm em thực hiện.
Kết quả của đề tài có thể góp phần giúp cho các công ty doanh nghiệp sản xuất sản phẩm bằng công nghệ FDM có được thông số nhiệt độ phù hợp, từ đó có thể chọn lọc hoặc điều chỉnh nhiệt độ phù hợp theo yêu cầu sản xuất.3 Quá trình phát triển và nghiên cứu công nghệ in 3D trên thế giới 1.1 Tình hình phát triển và nghiên cứu về công nghệ in 3D trên thế giới - Về quá trình phát triển: Ngày nay, công nghệ in 3D đã được ứng dụng rộng rãi, phổ biến trên toàn thế giới và đang thu hút được sự chú ý của chính phủ ở các nước. Tiêu biểu như: - Hoa Kỳ: Tổng thống Obama đã đề cấp đến công nghệ in 3D với vai trò và tiềm năng của công nghệ này đến cách mạng hóa phương pháp sản xuất trong Thông Điệp liên bang năm 2013 và 2014. Viện công nghệ sản xuất phụ trợ (NAMII) được thành lập năm 2012 với mục tiêu thúc đẩy công nghệ in 3D trong các ngành sản xuất ở Mỹ. Năm 2014, NAMII đã đầu tư 9 triệu USD cho các dự án nghiên cứu ứng dụng in 3D, bên cạnh đó các chủ dự án đã góp 19.3 triệu USD ngân sách cho các dự án về công nghệ in 3D.
Vì vậy, tổng vốn đầu tư của chính phủ và tư nhân trong lĩnh vực này đã lên đến gần 30 triệu USD vào năm 2014 [1]. - Trung Quốc: Chính phủ Trung Quốc tài trợ 6.5 triệu USD cho các dự án nghiên cứu về công nghệ in 3D. Bên cạnh đó, Liên minh công nghệ in 3D Trung Quốc đã được thành lập để hỗ trợ công nghệ sản xuất in 3D với kế hoạch xây dựng 10 trung tâm công nghệ cao về in 3D ở các thành phố lớn ở nước này với vốn đầu tư 3.3 triệu USD cho mỗi trung tâm. Ngoài ra, tháng 6 năm 2013 Chính phủ nước này cam kết đầu tư 245 triệu USD cho công nghệ in 3D trong suốt 7 năm tiếp theo [1].
- Anh: Tháng 6 năm 2013, một chương trình hỗ trợ trị giá 13.9 triệu USD từ chính phủ cho các công ty tư nhân để phát triển công nghệ in 3D. Một trung tâm quốc 3 gia in 3D với khoản đầu tư 25 triệu USD được Chính phủ nước này thành lập vào năm 2014 [1]. - Nhật Bản: Là một trong những nước sớm nhận ra tầm quan trọng của công nghệ in 3D. Tổ chức Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản (METI) đã hỗ trợ việc sự dụng máy in 3D ở các trường học bằng cách trợ giá mua máy in 3D cho các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật ở nước này.
Ngoài ra, METI hỗ trợ 44 triệu USD ngân sách cho các hoạt động nghiên cứu và phát triển liên quan đến in 3D trong sản xuất [1]. - Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Jahar Lal Bhowmik và cộng sự [3] đã tiến hành thử nghiệm thay đổi các thông số khác nhau: layer thickness (0.5), raster angle (0, 15, 30, 45, 60, 75, 90), build orientation (0, 30, 45, 60, 75, 90), raster width (0.5782) và number of contours (1, 3, 5, 7, 8, 10) để xác định sự ảnh đến độ chính xác kích thước của mẫu in FDM sử dụng vật liệu PC-ABS. Kết quả của thử nghiệm đã chỉ ra rằng những thông số tối ưu nhất để đạt độ chính xác của mẫu in là layer thickness 0.127 mm, air gap 0.342 mm, raster angle 88.462 mm và 1 contours. Adan Rasheed, Muhammad Hussian và Shafi Ullah [4] tiến hành thử nghiệm ảnh hưởng của các thông số FDM khác nhau đến tính chất cơ học và chỉ ra bộ thông số tối ưu để đạt được độ bền kéo tốt hơn cho hỗn hợp nhựa PLA-ABS.
Với bốn thông số được thử nghiệm là: infill density (50, 75 và 100%), number of layers (20, 25 và 30), printing speed (20 mm/s, 40 mm/s và 60 mm/s) và bed temperature (90, 95 và 100 °C) và các thông số khác không đổi. Kỹ thuật tối ưu hóa Taguchi được sử dụng trong thí nghiệm này để tối ưu hóa các thông số. Kết quả của thí nghiệm đã cho thấy infill density (mật độ lấp đầy) là thông số có ảnh hưởng nhất đến độ bền kéo của sản phẩm in trong khi bed temperature (nhiệt độ bàn in) có ảnh hưởng ít nhất. Tác giả 4 cũng đã chỉ ra bộ thông số với infill density 75%, 30 layers, printing speed 20 mm/s, bed temperature 100 °C là bộ thông số lý tưởng để đạt được độ bền kéo tối đa.
Nhóm nghiên cứu gồm Guru Mahesh và cộng sự [5] đã tiến hành thử nghiệm sự ảnh hưởng của thông số in layer height (chiều cao lớp in) và nozzle temperature (nhiệt độ đầu in) đến độ bền kéo và độ nhám bề mặt của mẫu in bằng phương pháp FDM. Kết quả cho thấy để đạt được độ bền kéo tốt nhất thì thông số layer height là 0.25 mm với nozzle temperature 235 °C và để đạt được độ nhám bề mặt tốt nhất thì thông số layer height là 0.2 mm với nozzle temperature 235 °C. Md Mazedur và cộng sự [6] đã nghiên cứu các thông số tối ưu của layer heigth (chiều cao lớp in), nozzle temperature (nhiệt độ đầu in), printing speeds (tốc độ in) và bed temperature (nhiệt độ bàn in) cho mẫu in chịu nén được in bằng phương pháp FDM. Bằng cách sử dụng phương pháp phân tích phương sai ANOVA dựa trên kết quả của thí nghiệm, tác giả đã phân tích sự ảnh hưởng của từng thông số in lên cơ tính của mẫu in.
Nghiên cứu cho thấy với bộ thông số 0.1 mm, 210 °C, 30 mm/s và 60 °C tương ứng với layer height, nozzle temperature, printing speeds, bed temperature thì mẫu in sẽ đạt được độ chịu nén cao nhất. Nhóm nghiên cứu của Nikhil Prakash Raut [7] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số in FDM đến cơ tính cụ thể là khả năng chịu va đập của sản phẩm in 3D sử dụng vật liệu ABS. Kết quả cho thấy khả năng chịu va đập của mẫu in ảnh hưởng chủ yếu bởi hai thông số là infill density ( mật độ lấp đầy) và infill pattern ( kiểu lấp đầy). Khả năng chịu va đập tăng cao khi mật độ lấp đầy giảm xuống vầ kiểu lấp đầy đường thẳng cho kết quả độ dai va đập cao hơn các kiểu lấp đầy còn lại.
Bên cạnh đó, dựa vào kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số in layer thickness (chiều cao lớp in), nozzle temperature (nhiệt độ đầu in) và printing speeds (tốc độ in) đến khả năng chịu uốn của mẫu in bằng vật liệu ABS của Saty Dev và Rajeev Srivastava [8] đã cho thấy các mẫu có độ bền uốn cao nhất khi layer heigth 0.12 mm, nozzle temperature 224.958 °C và printing speeds 30.