Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D đã trở thành một bước đột phá quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống, với thị trường toàn cầu ước tính trị giá hàng tỷ đô la. Tại Việt Nam, công nghệ này bắt đầu được ứng dụng từ năm 2003, tuy nhiên chủ yếu phục vụ nghiên cứu do chi phí cao và hạn chế về vật liệu. Vật liệu in 3D hiện nay chủ yếu nhập khẩu, trong đó vật liệu composite nền polyme cốt hạt kim loại hoặc cacbon được xem là xu hướng phát triển mới, đặc biệt cho công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM) phổ biến.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo sợi composite nền polypropylen (PP) cốt hạt Titanium hydride (TiH₂) với các tỷ lệ khối lượng 2%, 3%, 4% và 6%, nhằm cải thiện tính chất cơ học và đáp ứng yêu cầu công nghệ in 3D FDM. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong năm 2020. Mục tiêu chính là phát triển thành công sợi composite có cơ tính vượt trội, phân tán đồng đều hạt cốt trong nền polyme, đồng thời đánh giá khả năng in thử nghiệm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc chủ động sản xuất vật liệu in 3D trong nước, giảm nhập khẩu, đồng thời góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ in 3D tại Việt Nam, mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất, y tế, xây dựng và giáo dục.

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 vật liệu composite và công nghệ in 3D FDM. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết vật liệu composite: Nghiên cứu sự kết hợp giữa nền polyme PP và hạt cốt TiH₂ nhằm cải thiện tính chất cơ học như độ bền kéo, mô đun đàn hồi và khả năng chịu nhiệt. Khái niệm phân tán hạt cốt đồng đều và ảnh hưởng của tỷ lệ cốt đến tính chất vật liệu được phân tích kỹ lưỡng.

  • Mô hình công nghệ in 3D FDM: Quá trình ép đùn sợi composite, ảnh hưởng của nhiệt độ đùn và tỷ lệ cốt hạt đến chất lượng sợi in, cũng như các hiện tượng cong vênh, tắc vòi in được xem xét để tối ưu hóa vật liệu in.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ khối lượng cốt hạt, đường kính sợi composite, nhiệt độ chuyển biến thủy tinh, độ bền kéo, phân tán hạt cốt, và khả năng in 3D.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu sợi composite được chế tạo từ nhựa PP và bột TiH₂ thương mại có kích thước khoảng 300 nm, độ tinh khiết 99%. Các tỷ lệ khối lượng TiH₂ được phối trộn lần lượt là 2%, 3%, 4% và 6%.

Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

  1. Chuẩn bị nguyên liệu: Cân chính xác nguyên liệu bằng cân tiểu ly cấp chính xác 0,01g, trộn đều TiH₂ với nhựa PP.

  2. Chế tạo sợi composite: Sử dụng máy ép đùn trục vít đơn với đường kính sợi 1,75 mm, tốc độ đùn khoảng 40 cm/phút, nhiệt độ đùn được điều chỉnh phù hợp để đảm bảo phân tán hạt cốt đồng đều và tránh tắc vòi.

  3. Đánh giá cấu trúc: Sử dụng kính hiển vi quang học kỹ thuật số VHX 7000 để quan sát sự phân tán hạt TiH₂ trong nền PP ở các độ phóng đại khác nhau.

  4. Thử nghiệm cơ tính: Thực hiện kiểm tra độ bền kéo trên máy kéo DEVOTRANS 5 tấn, đo các chỉ số như ứng suất kéo tối đa, mô đun đàn hồi và độ giãn dài.

  5. Phân tích nhiệt: Sử dụng phương pháp nhiệt lượng quét vi sai (DSC) để xác định nhiệt độ chuyển biến thủy tinh và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ cốt hạt đến tính chất nhiệt của sợi composite.

  6. In thử nghiệm: Sợi composite sau khi chế tạo được sử dụng để in thử trên máy in 3D FDM, đánh giá khả năng in và chất lượng sản phẩm in.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, với các giai đoạn chuẩn bị, chế tạo, đánh giá và phân tích kết quả được thực hiện liên tục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân tán hạt TiH₂ đồng đều trong nền PP: Quan sát kính hiển vi cho thấy hạt TiH₂ kích thước nano phân tán khá đồng đều trong nền polyme PP ở các tỷ lệ 2%, 3%, 4% và 6%, không xuất hiện hiện tượng kết tụ lớn. Điều này giúp cải thiện tính chất cơ học của sợi composite.

  2. Cơ tính sợi composite được cải thiện rõ rệt: Kết quả thử kéo cho thấy sợi composite có tỷ lệ TiH₂ 4% đạt độ bền kéo tối đa tăng khoảng 25% so với sợi PP nguyên chất. Mô đun đàn hồi cũng tăng tương ứng, cho thấy sự gia cố hiệu quả của hạt TiH₂. Tuy nhiên, khi tỷ lệ cốt tăng lên 6%, độ bền kéo giảm nhẹ do hiện tượng tắc vòi và phân tán kém hơn.

  3. Ảnh hưởng nhiệt độ đùn đến cơ tính: Nhiệt độ đùn trong khoảng 175°C đến 185°C được khảo sát. Ở 180°C, sợi composite đạt cơ tính tối ưu với độ bền kéo cao nhất và độ giãn dài phù hợp. Nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn làm giảm chất lượng sợi do phân tán hạt không đồng đều hoặc suy giảm cấu trúc polymer.

  4. Khả năng in 3D FDM của sợi composite: Sợi composite chế tạo thành công đã được in thử trên máy in 3D FDM, sản phẩm in có độ bám dính lớp tốt, ít hiện tượng cong vênh và bề mặt tương đối mịn. Tỷ lệ cốt hạt TiH₂ dưới 6% không gây tắc vòi in nghiêm trọng, đảm bảo quá trình in liên tục.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện cơ tính của sợi composite nền PP cốt TiH₂ phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu composite cốt hạt kim loại trong in 3D, khi hạt cốt giúp tăng cường độ bền kéo và mô đun đàn hồi. Việc phân tán đồng đều hạt TiH₂ là yếu tố then chốt, tránh hiện tượng kết tụ gây điểm yếu cơ học.

Nhiệt độ đùn được tối ưu nhằm cân bằng giữa độ nhớt của polymer và khả năng phân tán hạt, tránh làm suy giảm cấu trúc polymer do nhiệt độ quá cao. Kết quả in thử cho thấy sợi composite có thể ứng dụng thực tế trong công nghệ FDM, mở ra hướng phát triển vật liệu in 3D trong nước.

So sánh với các nghiên cứu về vật liệu composite nền ABS cốt ống nano cacbon hoặc TiO₂, vật liệu PP cốt TiH₂ có ưu điểm về tính ổn định nhiệt và cơ tính phù hợp với yêu cầu in 3D FDM. Tuy nhiên, cần lưu ý hạn chế về tỷ lệ cốt hạt để tránh tắc vòi và giảm chất lượng in.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bền kéo và mô đun đàn hồi theo tỷ lệ cốt hạt, bảng nhiệt độ chuyển biến thủy tinh và ảnh kính hiển vi phân tán hạt TiH₂ trong nền PP.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ cốt hạt TiH₂ trong sợi composite: Khuyến nghị duy trì tỷ lệ cốt hạt trong khoảng 2-4% để đảm bảo phân tán đồng đều, cải thiện cơ tính và tránh tắc vòi in. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu vật liệu, thời gian 6 tháng.

  2. Điều chỉnh nhiệt độ đùn phù hợp: Nhiệt độ đùn nên duy trì ở khoảng 180°C để đạt hiệu quả cơ tính tối ưu và chất lượng sợi ổn định. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành máy ép đùn, thời gian liên tục trong quá trình sản xuất.

  3. Phát triển quy trình xử lý bề mặt hạt TiH₂: Nghiên cứu xử lý bề mặt hạt để tăng cường liên kết giữa hạt cốt và nền polyme, giảm hiện tượng kết tụ và tăng tính đồng nhất. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm vật liệu, thời gian 12 tháng.

  4. Mở rộng thử nghiệm in 3D với các thiết bị và điều kiện khác nhau: Thử nghiệm sợi composite trên nhiều loại máy in FDM khác nhau, điều chỉnh các thông số in để đánh giá khả năng ứng dụng rộng rãi. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu công nghệ in 3D, thời gian 6 tháng.

  5. Hợp tác phát triển sản phẩm ứng dụng thực tế: Liên kết với doanh nghiệp sản xuất để ứng dụng sợi composite trong các sản phẩm công nghiệp, y tế hoặc xây dựng, góp phần giảm nhập khẩu vật liệu in 3D. Chủ thể thực hiện: trường đại học và doanh nghiệp, thời gian 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Vật liệu: Nghiên cứu về vật liệu composite, công nghệ in 3D, phát triển vật liệu mới phục vụ in 3D.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu in 3D và thiết bị in 3D: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm sợi composite trong nước, giảm chi phí nhập khẩu.

  3. Chuyên gia công nghệ in 3D và kỹ sư sản xuất: Tối ưu hóa quy trình in 3D FDM với vật liệu composite mới, nâng cao chất lượng sản phẩm in.

  4. Ngành công nghiệp y tế, xây dựng và giáo dục: Ứng dụng vật liệu in 3D composite trong sản xuất thiết bị y tế, mô hình kiến trúc, giảng dạy kỹ thuật in 3D.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn polypropylen (PP) làm nền cho sợi composite?
    PP có tính bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt (~165°C), không màu, không độc hại và có khả năng tái chế. Đây là vật liệu phù hợp cho in 3D FDM nhờ độ bền kéo và độ dẻo dai, đồng thời dễ dàng phối trộn với hạt cốt kim loại như TiH₂.

  2. Hạt Titanium hydride (TiH₂) có vai trò gì trong composite?
    TiH₂ là hạt cốt kim loại giúp tăng cường tính cơ học của sợi composite, cải thiện độ bền kéo và mô đun đàn hồi. Ngoài ra, TiH₂ có kích thước nano (~300 nm) giúp phân tán đồng đều trong nền PP, hạn chế hiện tượng kết tụ.

  3. Làm thế nào để tránh hiện tượng tắc vòi khi in 3D với sợi composite?
    Giữ tỷ lệ cốt hạt TiH₂ dưới 6% khối lượng, điều chỉnh nhiệt độ đùn và tốc độ in phù hợp, đồng thời đảm bảo phân tán hạt cốt đồng đều trong sợi để tránh tắc vòi do hạt lớn hoặc kết tụ.

  4. Nhiệt độ đùn ảnh hưởng thế nào đến chất lượng sợi composite?
    Nhiệt độ đùn tối ưu khoảng 180°C giúp polymer PP nóng chảy đều, hạt TiH₂ phân tán tốt, tạo sợi có cơ tính cao và bề mặt mịn. Nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao gây phân tán kém, suy giảm cấu trúc polymer và giảm chất lượng sợi.

  5. Sợi composite này có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Sợi composite nền PP cốt TiH₂ phù hợp cho in 3D các chi tiết cơ khí, thiết bị y tế, mô hình kiến trúc, sản phẩm gia dụng và các ứng dụng đòi hỏi tính cơ học cao, độ bền và độ ổn định nhiệt tốt.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công sợi composite nền polypropylen cốt hạt Titanium hydride với các tỷ lệ 2%, 3%, 4% và 6% khối lượng, đáp ứng yêu cầu công nghệ in 3D FDM.
  • Sợi composite có cơ tính được cải thiện rõ rệt, đặc biệt ở tỷ lệ cốt 4%, với độ bền kéo tăng khoảng 25% so với sợi PP nguyên chất.
  • Hạt TiH₂ phân tán đồng đều trong nền PP, hạn chế hiện tượng kết tụ và tắc vòi in khi in 3D.
  • Nhiệt độ đùn tối ưu là 180°C, giúp cân bằng giữa phân tán hạt và chất lượng sợi.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu in 3D composite trong nước, góp phần giảm nhập khẩu và thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D tại Việt Nam.

Next steps: Tiếp tục tối ưu quy trình chế tạo, mở rộng thử nghiệm in 3D trên nhiều thiết bị, phát triển sản phẩm ứng dụng thực tế.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực in 3D nên hợp tác để phát triển và ứng dụng vật liệu composite nền polyme cốt hạt kim loại, nâng cao năng lực sản xuất trong nước và mở rộng thị trường.