Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D, đặc biệt là phương pháp Fused Deposition Modeling (FDM), đã trở thành xu hướng sản xuất hiện đại với khả năng tạo ra các sản phẩm phức tạp theo từng lớp vật liệu. Trong đó, nhựa PLA (Polylactic Acid) được sử dụng phổ biến chiếm khoảng 90% vật liệu in 3D do tính thân thiện môi trường và đặc tính cơ lý phù hợp. Tuy nhiên, việc sản xuất sợi nhựa PLA chất lượng cao với giá thành hợp lý vẫn là thách thức lớn đối với các nhà sản xuất trong nước, khi mà phần lớn nguyên liệu và máy móc đều nhập khẩu với chi phí cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy ép sợi nhựa PLA phục vụ công nghệ in 3D FDM, nhằm giảm giá thành sản xuất, nâng cao hiệu suất và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường Việt Nam trong giai đoạn 2020-2021 tại TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu cụ thể là phát triển máy ép sợi nhựa PLA có công suất khoảng 10 kg/giờ, đảm bảo chất lượng sợi đồng đều, ổn định về kích thước và tính cơ lý, đồng thời tối ưu hóa chi phí sản xuất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy sản xuất vật liệu in 3D nội địa, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu, góp phần phát triển ngành công nghiệp hỗ trợ và ứng dụng công nghệ in 3D trong nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục, và sản xuất công nghiệp. Các chỉ số đánh giá hiệu quả bao gồm độ bền kéo của sợi nhựa, độ đồng đều kích thước, công suất máy và chi phí sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ in 3D FDM: Nguyên lý hoạt động của máy in 3D FDM là đùn vật liệu nhựa nóng chảy qua vòi phun, tạo thành từng lớp mỏng chồng lên nhau để hình thành sản phẩm ba chiều. Vật liệu sử dụng chủ yếu là sợi nhựa PLA có đường kính tiêu chuẩn 1.75 mm hoặc 3 mm.

  • Tính chất vật liệu PLA: PLA là nhựa polyester nhiệt dẻo phân hủy sinh học, có tính chất cơ lý như độ bền kéo khoảng 37 MPa, mô đun đàn hồi 4 GPa, nhiệt độ nóng chảy 173 °C, mật độ 1.3 g/cm³. PLA có ưu điểm thân thiện môi trường, dễ gia công và phù hợp với công nghệ in 3D.

  • Phương pháp ép trục vít: Máy ép sợi nhựa sử dụng nguyên lý ép trục vít để nấu chảy và đùn nhựa PLA. Quá trình này bao gồm gia nhiệt, trộn đều vật liệu, ép qua khuôn tạo sợi với kích thước đồng đều. Các yếu tố kỹ thuật như nhiệt độ, tốc độ trục vít, áp suất và hệ thống làm mát được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sợi.

  • Mô hình ma trận quyết định: Áp dụng ma trận đánh giá tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu vận hành để lựa chọn thiết kế tối ưu cho máy ép sợi, đảm bảo các tiêu chí về công suất, độ ổn định, an toàn và chi phí.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ các tài liệu chuyên ngành về công nghệ in 3D, vật liệu PLA, thiết kế máy ép trục vít, cùng số liệu thực nghiệm từ quá trình chế tạo và vận hành máy.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phân tích ANOVA để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ đùn, tốc độ trục vít đến độ bền kéo của sợi nhựa. Phân tích ma trận quyết định để lựa chọn phương án thiết kế phù hợp.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thực nghiệm với nhiều mẫu sợi PLA được sản xuất ở các điều kiện khác nhau, tổng cộng khoảng 30 mẫu để kiểm tra tính ổn định và cơ lý. Mẫu được chọn ngẫu nhiên từ các mẻ sản xuất nhằm đảm bảo tính đại diện.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2020 đến tháng 12/2020, bao gồm các giai đoạn thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và đánh giá hiệu quả máy ép sợi PLA.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đùn đến độ bền kéo sợi PLA: Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ đùn trong khoảng 180-200 °C ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo của sợi. Ở nhiệt độ 190 °C, sợi đạt độ bền kéo trung bình 36 MPa, cao hơn 12% so với nhiệt độ 180 °C.

  2. Tốc độ trục vít và chất lượng sợi: Tốc độ trục vít từ 20 đến 40 vòng/phút được khảo sát. Tốc độ 30 vòng/phút cho ra sợi có kích thước đồng đều nhất với sai số đường kính dưới 0.05 mm, giảm 15% so với tốc độ thấp hơn hoặc cao hơn.

  3. Hiệu suất công suất máy: Máy ép sợi đạt công suất trung bình khoảng 10 kg/giờ, đáp ứng yêu cầu thiết kế. So với máy nhập khẩu có công suất tương đương nhưng giá thành cao hơn 3 lần, máy tự chế tạo có lợi thế về chi phí.

  4. Phân tích ANOVA: Phân tích cho thấy yếu tố vật liệu (nhựa PLA) có ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền kéo (p < 0.01), tiếp theo là nhiệt độ đùn (p < 0.05), trong khi tốc độ trục vít có ảnh hưởng vừa phải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi độ bền kéo là do nhiệt độ đùn ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử PLA, nhiệt độ quá thấp làm nhựa không tan chảy hoàn toàn, còn quá cao gây phân hủy vật liệu. Tốc độ trục vít ảnh hưởng đến thời gian lưu và đồng nhất vật liệu trong buồng nấu, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng sợi.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành khi nhiệt độ đùn tối ưu cho PLA thường nằm trong khoảng 185-195 °C. Việc thiết kế máy ép sợi PLA nội địa với chi phí thấp hơn nhiều so với máy nhập khẩu là bước tiến quan trọng, góp phần phát triển ngành công nghiệp vật liệu in 3D trong nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ đùn và độ bền kéo, bảng so sánh công suất và chi phí giữa máy tự chế tạo và máy nhập khẩu, cũng như biểu đồ cột thể hiện sai số đường kính sợi theo tốc độ trục vít.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình gia nhiệt: Điều chỉnh nhiệt độ đùn duy trì trong khoảng 185-195 °C để đảm bảo độ bền kéo và chất lượng sợi PLA, giảm thiểu phân hủy vật liệu. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn vận hành thử nghiệm. Chủ thể: Nhà vận hành và kỹ thuật viên.

  2. Kiểm soát tốc độ trục vít: Duy trì tốc độ trục vít ổn định khoảng 30 vòng/phút để đảm bảo kích thước sợi đồng đều, giảm sai số đường kính dưới 0.05 mm. Thời gian: áp dụng trong quá trình sản xuất hàng loạt. Chủ thể: Kỹ sư vận hành.

  3. Nâng cấp hệ thống làm mát: Cải tiến hệ thống làm mát sợi sau khi đùn để giảm cong vênh và tăng độ ổn định kích thước. Thời gian: trong vòng 6 tháng tiếp theo. Chủ thể: Bộ phận thiết kế và bảo trì.

  4. Đào tạo nhân lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành máy ép sợi PLA, nâng cao tay nghề và hiểu biết về vật liệu. Thời gian: định kỳ hàng năm. Chủ thể: Ban quản lý và phòng đào tạo.

  5. Phát triển nghiên cứu vật liệu hỗn hợp: Khuyến khích nghiên cứu pha trộn PLA với các chất phụ gia nano để nâng cao tính năng cơ lý và nhiệt của sợi in 3D. Thời gian: dài hạn, 1-2 năm. Chủ thể: Các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất vật liệu in 3D trong nước: Giúp hiểu rõ quy trình thiết kế và vận hành máy ép sợi PLA, từ đó tự chủ sản xuất, giảm chi phí nhập khẩu.

  2. Các kỹ sư và kỹ thuật viên công nghệ in 3D: Nắm bắt kiến thức về đặc tính vật liệu PLA và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sợi, nâng cao hiệu quả vận hành máy in.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí, vật liệu polymer: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về công nghệ ép sợi nhựa PLA, làm nền tảng cho các nghiên cứu phát triển tiếp theo.

  4. Doanh nghiệp ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất: Hiểu rõ về nguồn vật liệu và quy trình sản xuất sợi PLA, từ đó lựa chọn nguồn cung ứng phù hợp, đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy ép sợi PLA có công suất bao nhiêu?
    Máy được thiết kế với công suất khoảng 10 kg/giờ, đáp ứng nhu cầu sản xuất vừa và nhỏ, phù hợp với các doanh nghiệp trong nước.

  2. Nhiệt độ đùn tối ưu cho PLA là bao nhiêu?
    Nhiệt độ đùn tối ưu nằm trong khoảng 185-195 °C, giúp nhựa tan chảy hoàn toàn mà không bị phân hủy, đảm bảo độ bền kéo của sợi.

  3. Tốc độ trục vít ảnh hưởng thế nào đến chất lượng sợi?
    Tốc độ trục vít khoảng 30 vòng/phút cho phép sợi có đường kính đồng đều, sai số dưới 0.05 mm, giảm hiện tượng không đồng nhất.

  4. Làm thế nào để giảm cong vênh sợi PLA sau khi đùn?
    Cải tiến hệ thống làm mát sợi ngay sau khi đùn, sử dụng quạt hoặc hệ thống làm mát tuần hoàn giúp giảm cong vênh và tăng độ ổn định kích thước.

  5. Máy ép sợi PLA tự chế có thể thay thế máy nhập khẩu không?
    Với chi phí thấp hơn 3 lần và công suất tương đương, máy tự chế có thể đáp ứng tốt nhu cầu sản xuất trong nước, tuy nhiên cần tiếp tục hoàn thiện để nâng cao độ ổn định và tính năng.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy ép sợi nhựa PLA với công suất khoảng 10 kg/giờ, phù hợp với công nghệ in 3D FDM.
  • Nhiệt độ đùn và tốc độ trục vít là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sợi, cần được kiểm soát chặt chẽ.
  • Máy tự chế tạo có lợi thế về chi phí so với máy nhập khẩu, góp phần thúc đẩy sản xuất vật liệu in 3D nội địa.
  • Hệ thống làm mát và đào tạo nhân lực là các yếu tố cần được cải tiến để nâng cao hiệu quả sản xuất.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục phát triển vật liệu hỗn hợp và hoàn thiện công nghệ ép sợi PLA trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Triển khai áp dụng máy ép sợi PLA trong sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu cải tiến vật liệu và thiết bị. Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích hợp tác để phát triển công nghệ in 3D trong nước.