Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D, đặc biệt là phương pháp Fused Deposition Modeling (FDM), đã trở thành một xu hướng phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp sản xuất, y học, kiến trúc và giáo dục. Tại Việt Nam, công nghệ này đã xuất hiện từ khoảng năm 2003 nhưng mới chỉ được ứng dụng chủ yếu trong nghiên cứu do chi phí vật liệu cao và phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu. Vật liệu in 3D phổ biến hiện nay chủ yếu là các loại nhựa nhiệt dẻo như ABS, PLA, PA, PP, tuy nhiên các sản phẩm in từ những vật liệu này vẫn còn hạn chế về độ bền cơ học và khả năng chịu tải, ảnh hưởng đến phạm vi ứng dụng trong công nghiệp.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất của vật liệu polyme nanocomposite dựa trên blends nhựa ABS và ống nano cacbon (CNT) nhằm nâng cao tính chất cơ học và khả năng ứng dụng trong công nghệ in 3D FDM. Mục tiêu cụ thể là xây dựng quy trình chế tạo sợi composite có đường kính khoảng 1.75 mm với các tỷ lệ CNT từ 0,5% đến 2,5% khối lượng, đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ cốt và nhiệt độ đùn đến quá trình chế tạo, đồng thời khảo sát các tính chất cơ học, cấu trúc tế vi và tính chất điện của vật liệu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu composite ABS-80/CNT, chế tạo sợi tại phòng thí nghiệm với điều kiện nhiệt độ đùn từ 200 đến 240℃, sử dụng máy đùn trục vít đơn và máy in 3D FDM.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc chủ động nguồn vật liệu in 3D chất lượng cao, giảm chi phí nhập khẩu, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất công nghiệp tại Việt Nam. Các chỉ số đánh giá như độ bền kéo tăng đến 59,44% ở tỷ lệ 2% CNT so với nhựa ABS nguyên chất, cùng với khả năng phân tán đồng đều của CNT trong nền nhựa, cho thấy tiềm năng phát triển vật liệu composite cho in 3D FDM.

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 khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết vật liệu composite nền polyme: Tập trung vào cơ chế gia cường vật liệu polyme bằng các cốt nano như ống nano cacbon (CNT). Các khái niệm chính bao gồm khả năng phân tán cốt, độ bám dính tại giao diện cốt-nền, tỷ lệ hình dạng của cốt, và ảnh hưởng của các yếu tố này đến tính chất cơ học và điện của composite. Lý thuyết này giải thích sự cải thiện độ bền kéo, mô đun đàn hồi và tính dẫn điện khi bổ sung CNT vào nền ABS.

  2. Mô hình công nghệ in 3D FDM: Mô tả nguyên lý hoạt động của công nghệ FDM, trong đó vật liệu polyme dạng sợi được đùn nóng chảy và lắng đọng từng lớp để tạo thành sản phẩm. Các khái niệm chính gồm nhiệt độ đùn, độ dày lớp in, tốc độ in, hiện tượng cong vênh, độ bám dính giữa các lớp, và ảnh hưởng của vật liệu in đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): nhựa nhiệt dẻo có độ bền và chịu nhiệt tốt.
  • CNT (Carbon Nanotube): ống nano cacbon đa thành với tính chất cơ học và điện vượt trội.
  • Độ bền kéo (Tensile strength): ứng suất tối đa mà vật liệu chịu được trước khi đứt.
  • Mô đun đàn hồi (Elastic modulus): độ cứng của vật liệu khi biến dạng đàn hồi.
  • Phổ Raman: kỹ thuật phân tích cấu trúc vật liệu dựa trên tán xạ ánh sáng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu composite ABS-80/CNT được chế tạo trong phòng thí nghiệm. Các bước nghiên cứu bao gồm:

  • Chuẩn bị vật liệu: Hạt nhựa ABS-80 và ống nano cacbon đa thành được sấy khô để loại bỏ hơi ẩm, đảm bảo chất lượng trộn.
  • Chế tạo sợi composite: Sử dụng máy đùn trục vít đơn với đường kính trục vít 15 mm, tốc độ quay 35 vòng/phút, nhiệt độ đùn thử nghiệm 200℃, 220℃ và 240℃ để xác định điều kiện tối ưu. Hỗn hợp được trộn gia nhiệt và đùn ba lần nhằm phân tán đồng đều CNT trong nền ABS. Sợi composite có đường kính ổn định khoảng 1,75 mm được kéo và cuộn tự động.
  • Phân tích tính chất cơ học: Mẫu thử kéo được in 3D theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại 5, thử nghiệm trên máy kéo MTS E45 với tốc độ kéo 1 mm/phút để đo độ bền kéo, mô đun đàn hồi và độ giãn dài khi đứt.
  • Quan sát cấu trúc tế vi: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL JSM-IT200 để khảo sát bề mặt gãy và phân bố CNT trong nền nhựa ở các độ phóng đại từ 200 đến 20000 lần.
  • Đo tính chất điện: Đo độ dẫn điện của sợi composite bằng máy HIOKI ST5520 ở điện áp 250 V trong 15 giây.
  • Phổ Raman: Phân tích cấu trúc và sự hiện diện của CNT trong composite bằng máy Renishaw invia Raman microscope với laser bước sóng 514 nm.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 10 năm 2023, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị vật liệu, chế tạo sợi, thử nghiệm cơ tính, phân tích cấu trúc và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Quá trình chế tạo sợi composite ổn định ở nhiệt độ 220℃: Ở 200℃, sợi đùn ra không liên tục và không đồng đều; ở 240℃, sợi bị chảy loãng khó kiểm soát hình dạng. Nhiệt độ 220℃ cho sợi composite có đường kính ổn định ~1,75 mm, phù hợp cho in 3D FDM.

  2. Tăng độ bền kéo đáng kể với tỷ lệ CNT từ 0,5% đến 2%: Mẫu ABS-80 nguyên chất có độ bền kéo 28,5 MPa; khi bổ sung 0,5% CNT, độ bền kéo tăng lên 37,11 MPa (tăng 30%). Ở tỷ lệ 2% CNT, độ bền kéo đạt 45,44 MPa, tăng 59,44% so với mẫu gốc. Tuy nhiên, khi tăng lên 2,5% CNT, độ bền kéo giảm xuống 38,3 MPa do hiện tượng vón cục CNT gây tập trung ứng suất.

  3. Mô đun đàn hồi tăng theo tỷ lệ CNT: Mô đun đàn hồi của mẫu ABS-80 là 502 MPa, tăng lên 1043 MPa ở tỷ lệ 2% CNT, cho thấy sự gia cường hiệu quả của CNT trong nền nhựa. Mô đun giảm khi tỷ lệ CNT vượt quá 2%.

  4. Độ giãn dài giảm khi bổ sung CNT: Các mẫu composite có độ giãn dài thấp hơn so với nhựa nguyên chất, phản ánh tính giòn tăng lên do sự hạn chế chuyển động của chuỗi polyme bởi CNT và sự kết đám ở tỷ lệ cao.

  5. Cấu trúc tế vi đồng đều với phân bố CNT ngẫu nhiên trong pha SAN của ABS: SEM cho thấy CNT phân bố đồng đều ở các tỷ lệ 0,5% đến 2%, với hiện tượng vón cục xuất hiện rõ ở 2,5%. Các lỗ xốp nhỏ từ 1 đến 10 µm tồn tại do quá trình in và thử kéo. Phổ Raman xác nhận sự hiện diện và tương tác của CNT trong composite.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc bổ sung ống nano cacbon đa thành vào nền nhựa ABS-80 cải thiện đáng kể tính chất cơ học của vật liệu in 3D FDM. Sự gia tăng độ bền kéo và mô đun đàn hồi phù hợp với lý thuyết về cơ chế truyền tải ứng suất qua giao diện cốt-nền và sự phân tán tốt của CNT. Hiện tượng giảm độ giãn dài và tăng tính giòn là hệ quả của việc hạn chế chuyển động chuỗi polyme do sự hiện diện của CNT và sự kết đám ở tỷ lệ cao.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương tự về mức tăng độ bền kéo và giảm độ giãn dài khi bổ sung CNT được ghi nhận, tuy nhiên tỷ lệ tối ưu trong nghiên cứu này là 2% CNT, thấp hơn một số nghiên cứu khác do phương pháp chế tạo và điều kiện trộn đùn khác biệt. Việc sử dụng máy đùn trục vít đơn và quy trình trộn ba lần giúp phân tán CNT hiệu quả, giảm thiểu hiện tượng vón cục so với các phương pháp khác.

Cấu trúc tế vi cho thấy CNT tập trung chủ yếu trong pha SAN của ABS, phù hợp với tính tương hợp nhiệt động học và giúp tăng cường liên kết cơ học. Các lỗ xốp nhỏ và hiện tượng cong vênh trong quá trình in 3D là những thách thức cần được kiểm soát để nâng cao chất lượng sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ ứng suất-biến dạng, mô đun đàn hồi theo tỷ lệ CNT, hình ảnh SEM phân bố CNT và phổ Raman minh họa cấu trúc vật liệu. Các bảng số liệu chi tiết về thành phần mẫu, thông số in và kết quả thử nghiệm cũng hỗ trợ phân tích.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo sợi composite: Áp dụng nhiệt độ đùn 220℃ và trộn gia nhiệt - đùn ba lần để đảm bảo phân tán CNT đồng đều, ổn định đường kính sợi ~1,75 mm. Thời gian thực hiện trong vòng 1 tháng, do phòng thí nghiệm vật liệu đảm nhiệm.

  2. Kiểm soát tỷ lệ CNT trong khoảng 0,5% đến 2% khối lượng: Để đạt được sự cân bằng giữa độ bền kéo và độ dẻo dai, tránh hiện tượng vón cục và giảm chất lượng sản phẩm. Các nhà sản xuất vật liệu in 3D nên áp dụng tỷ lệ này trong sản xuất sợi composite.

  3. Nâng cao chất lượng in 3D bằng điều chỉnh thông số in: Sử dụng nhiệt độ vòi phun 230℃, nhiệt độ bàn 90-110℃, độ dày lớp 0,2 mm và độ điền đầy 100% để giảm cong vênh và tăng độ bám dính giữa các lớp. Các kỹ thuật viên vận hành máy in cần được đào tạo bài bản.

  4. Phát triển hệ thống kiểm soát chất lượng vật liệu đầu vào: Thiết lập quy trình sấy khô nguyên liệu, kiểm tra độ ẩm và độ phân tán CNT trước khi chế tạo sợi để đảm bảo tính ổn định và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Các phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất cần phối hợp thực hiện.

  5. Nghiên cứu tiếp tục về tính chất điện và nhiệt của composite: Khảo sát ảnh hưởng của CNT đến độ dẫn điện và khả năng tản nhiệt của vật liệu để mở rộng ứng dụng trong các linh kiện điện tử và thiết bị công nghiệp. Thời gian nghiên cứu dự kiến 6-12 tháng, phối hợp với các viện nghiên cứu chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học vật liệu: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về chế tạo và đánh giá vật liệu polyme nanocomposite, giúp mở rộng kiến thức và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu in 3D và máy in FDM: Thông tin về quy trình chế tạo sợi composite và các thông số kỹ thuật giúp cải tiến sản phẩm, giảm chi phí nhập khẩu nguyên liệu và nâng cao chất lượng vật liệu in.

  3. Kỹ thuật viên và chuyên gia vận hành máy in 3D: Hiểu rõ về ảnh hưởng của vật liệu và thông số in đến chất lượng sản phẩm, từ đó điều chỉnh quy trình in phù hợp, giảm lỗi cong vênh và tăng độ bền cơ học của chi tiết in.

  4. Các nhà phát triển ứng dụng công nghệ in 3D trong công nghiệp và y tế: Nghiên cứu cung cấp cơ sở vật liệu mới có tính năng cơ học cải tiến, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao như sản xuất linh kiện cơ khí, mô hình y sinh và thiết bị cá nhân hóa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn nhựa ABS làm nền cho composite?
    ABS có độ bền cơ học tốt, chịu nhiệt khoảng 90-100℃, dễ gia công và phổ biến trong in 3D FDM. Nó cân bằng giữa độ cứng, độ dai và khả năng chịu va đập, phù hợp làm nền cho vật liệu composite gia cường.

  2. Tỷ lệ CNT bao nhiêu là tối ưu cho vật liệu composite?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 2% khối lượng CNT là tối ưu, tăng độ bền kéo lên 59,44% so với nhựa nguyên chất, đồng thời giữ được độ dẻo tương đối. Tỷ lệ cao hơn gây vón cục và giảm chất lượng cơ học.

  3. Phương pháp chế tạo sợi composite là gì?
    Sử dụng máy đùn trục vít đơn với quy trình trộn gia nhiệt - đùn ba lần, nhiệt độ đùn 220℃, sau đó kéo sợi và cuộn tự động để đảm bảo đường kính sợi ổn định ~1,75 mm, phù hợp cho in 3D FDM.

  4. Làm thế nào để kiểm tra phân bố CNT trong vật liệu?
    Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc tế vi và phân bố CNT trong nền nhựa ở các độ phóng đại khác nhau, kết hợp phổ Raman để xác nhận sự hiện diện và tương tác của CNT.

  5. Vật liệu composite này có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
    Phù hợp cho sản xuất linh kiện cơ khí, thiết bị y tế cá nhân hóa, mô hình kiến trúc, và các sản phẩm đòi hỏi độ bền cơ học cao trong công nghệ in 3D FDM.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình chế tạo sợi polyme nanocomposite ABS-80/CNT với đường kính ổn định ~1,75 mm, nhiệt độ đùn tối ưu 220℃.
  • Tỷ lệ CNT 2% khối lượng là mức tối ưu, tăng độ bền kéo lên 59,44% và mô đun đàn hồi lên 1043 MPa so với nhựa ABS nguyên chất.
  • Cấu trúc tế vi cho thấy CNT phân bố đồng đều trong pha SAN của ABS, góp phần cải thiện tính chất cơ học và điện của composite.
  • Vật liệu composite phù hợp cho công nghệ in 3D FDM, mở rộng khả năng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp và y tế tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tính chất điện, nhiệt và tối ưu hóa quy trình in để nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng quy trình chế tạo và vật liệu này để phát triển sản phẩm in 3D chất lượng cao, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các tính chất vật liệu khác nhằm đa dạng hóa ứng dụng.