TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
Giới thiệu chung về công nghệ in 3D
Công nghệ tạo mẫu nhanh đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, với nhiều sản phẩm 3D được cải tiến liên tục Các thương hiệu nổi bật trong lĩnh vực máy in 3D như Reprap, Ultimaker và Cubify Cube đã ra đời, mang đến những giải pháp tiên tiến cho người dùng.
Hình 0-1 Một số mẫu máy in thương mại cỡ nhỏ
Công nghệ in 3D cho phép các nhà sản xuất tạo ra sản phẩm nhanh chóng từ ý tưởng thiết kế, với thiết bị dễ dàng lắp đặt và khả năng thay thế bộ phận nhanh chóng Công nghệ này tạo ra chuỗi giá trị liên tục từ sản xuất đến lưu kho và sử dụng sản phẩm, giúp tiết kiệm nguyên liệu, năng lượng và rút ngắn quy trình sản xuất để cung cấp các sản phẩm tùy chỉnh, kể cả những sản phẩm có cấu trúc phức tạp Với ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như khoa học, công nghiệp chế tạo, quốc phòng, hàng không vũ trụ, y tế, xây dựng, giáo dục và thời trang, in 3D đang có tốc độ tăng trưởng hàng năm gần 30% Đây được đánh giá là công nghệ có tiềm năng lớn trong tương lai, đặc biệt trong lĩnh vực chế tạo cơ khí và sản xuất công nghiệp.
Công nghệ in 3D với độ chính xác cao và tính tiện lợi đang được áp dụng rộng rãi trong việc tạo mẫu nhanh các chi tiết cơ khí chính xác, góp phần cách mạng hóa ngành cơ khí chế tạo Một số ứng dụng nổi bật của in 3D trong lĩnh vực cơ khí bao gồm việc sản xuất các linh kiện phức tạp, tối ưu hóa quy trình thiết kế và giảm thiểu thời gian chế tạo.
- Kiểm tra mẫu mã sản phẩm, hình dạng chi tiết cơ khí;
- Kiểm tra độ chính xác, độ ăn khớp giữa các chi tiết;
- Kiểm tra chức năng, vận hành cơ học;
- Tạo vật mẫu để trưng bày;
- Chế tạo sản phẩm mẫu
Công nghệ in 3D đang cách mạng hóa ngành đúc, bao gồm đúc đồng, gang, nhôm, thạch cao và composite Các công ty và làng nghề đúc nhanh chóng áp dụng công nghệ này để tạo mẫu với độ chính xác cao, giảm rủi ro và kiểm soát quy trình dễ dàng hơn Hơn nữa, chi phí tạo mẫu bằng công nghệ in 3D cũng thấp hơn so với các phương pháp truyền thống, thúc đẩy sự chuyển đổi của các doanh nghiệp trong ngành đúc.
Công nghệ in 3D đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp quốc phòng, giúp sản xuất các sản phẩm đặc biệt với chi phí tiết kiệm Với khả năng đáp ứng các yêu cầu phức tạp và sản xuất số lượng nhỏ, in 3D mang lại lợi thế trong việc sản xuất và thay thế nhanh chóng trên chiến trường Đặc biệt, sau khi ứng dụng nhựa, máy in kim loại 3D đã được phát triển để chế tạo súng bởi công ty con của Tập đoàn Stratasys.
Một số ứng dụng nổi bật như:
Hỗ trợ thử nghiệm các phương pháp và công nghệ y tế mới là yếu tố quan trọng trong việc nâng cao nghiên cứu y khoa và đào tạo đội ngũ y bác sĩ Một ví dụ điển hình là việc cung cấp các mô nội tạng nhân tạo cho bác sĩ luyện tập phẫu thuật giả lập, cũng như phát triển các dụng cụ y học được thiết kế để đưa vào hoặc gắn vào cơ thể bệnh nhân.
Công nghệ in 3D được sử dụng để thiết kế và sản xuất các bộ phận cơ thể cho phẫu thuật tái tạo và cấy ghép, như máy trợ thính, khung đỡ, mặt nạ và răng giả Những sản phẩm này có thể được tạo ra với kích thước, hình dạng và đặc điểm chính xác theo từng bệnh nhân, mang lại sự phù hợp tối ưu cho nhu cầu y tế.
Hình 0-2 Một số bộ phận con người được tạo ra bằng phương pháp in 3D d) Trong lĩnh vực kiến trúc xây dựng:
Công nghệ in 3D đang ngày càng được áp dụng trong ngành xây dựng, với nhựa và bê tông là những vật liệu chủ yếu Phương pháp này không chỉ nâng cao chất lượng và tốc độ thi công mà còn giúp giảm chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn trong xây dựng và giảm thiểu tác động đến môi trường.
3D cho phép sáng tạo, chỉnh sửa một cách dễ dàng theo ý của khách hàng trong thiết kế kiến trúc và xây dựng thực tế
Công ty kiến trúc HuaShang Tengda tại Bắc Kinh, Trung Quốc, đã ứng dụng công nghệ in 3D để xây dựng một căn biệt thự vững chắc, có khả năng chịu đựng động đất lên đến 8 độ Richter Dự án này chỉ mất 45 ngày để hoàn thành, minh chứng cho tiềm năng của công nghệ in 3D trong ngành xây dựng.
Hình 0-3 Nhà được làm bằng công nghệ in 3D e) Trong lĩnh vực thời trang:
Công nghệ in 3D đã đơn giản hóa việc thay đổi và tùy chỉnh thiết kế, tạo điều kiện cho các nhà thiết kế thỏa sức sáng tạo và mang đến những đột phá mới Bằng cách kết hợp các vật liệu truyền thống với công nghệ in 3D, các nhà thiết kế không chỉ mở ra xu hướng thời trang mới mà còn tạo ra phong cách độc đáo và bứt phá.
Hình 0-4 Một chiếc giày cao gót được tạo nên nhờ công nghệ in 3D f) Trong lĩnh vực thực phẩm:
Công nghệ in 3D không chỉ dừng lại ở việc chế tạo đồ vật, mà còn được ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm, cho phép tạo ra những món ăn độc đáo như kẹo có hình dạng thú vị từ socola, đường, vani và hương liệu Ngoài ra, công nghệ này còn giúp sản xuất các loại trái cây với hương vị đặc biệt, mở ra nhiều khả năng sáng tạo trong ẩm thực.
Hình 0-5 Thức ăn được chế biến bằng in 3D
Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực cải thiện công nghệ in 3D để cung cấp thực phẩm cho phi hành gia và khách du lịch vũ trụ trong tương lai Đặc biệt, công nghệ này đã được áp dụng để in thịt, với sự thành công của Công ty Modern Meadows trong việc tạo ra thịt nhân tạo thông qua máy in 3D Quá trình in thịt diễn ra tương tự như in 3D thông thường, sử dụng tế bào sống và phát triển thành các bắp thịt, sau đó xếp chồng từng lớp.
Hình 0-6 Mô hình chi tiết máy được tạo mẫu nhanh bằng in 3D g) Trong lĩnh vực giáo dục đào tạo:
Trong giáo dục, ứng dụng công nghệ in 3D mang lại rất nhiều lợi ích thiết thực, như:
- Khơi gợi hứng thú cho học sinh trong quá trình học tập;
- Tạo điều kiện phát triển chương trình giáo dục STEM (Science - Technology - Engineering - Mathematics);
- Cho phép tiếp cận với các đối tượng học tập chưa từng có trước đây;
- Mở ra nhiều khả năng mới cho việc học tập;
- Thúc đẩy kỹ năng giải quyết vấn đề
Việc sử dụng mô hình in 3D trong khóa học STEM không chỉ làm cho bài học trở nên thú vị hơn mà còn giúp học sinh tiếp cận với quy trình sản xuất đắp dần độc đáo Học sinh sẽ được tìm hiểu về cách hoạt động của máy in 3D, cách sử dụng thiết bị, cũng như kỹ năng khắc phục sự cố và giải quyết vấn đề Điều này chứng tỏ rằng máy in 3D là một công cụ lý tưởng để phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề cho học sinh.
Lớp học ứng dụng công nghệ in 3D
Mô hình nghệ thuật Hình 0-7 Lớp học STEM ứng dụng công nghệ in 3D vào giảng dạy và mô hình in
Ngoài ra, ứng dụng của công nghệ in 3D còn được áp dụng vào nhiều môn học khác nhau như:
Môn Toán 3D giúp học sinh hình dung rõ ràng các biểu đồ và mô hình toán học, từ đó phát triển khả năng tư duy phản biện, tư duy thiết kế và kỹ năng cộng tác Việc áp dụng công nghệ 3D trong giảng dạy không chỉ tăng cường sự hiểu biết mà còn nâng cao kỹ năng giải quyết vấn đề cho học sinh.
Sản xuất truyền thống sử dụng các kỹ thuật định hình và gia công cắt gọt phức tạp, đòi hỏi nhiều bước và cơ sở hạ tầng tốn kém, dẫn đến hạn chế trong việc triển khai nhanh chóng các sửa đổi sản phẩm Tuy nhiên, công nghệ chế tạo cộng (Additive Machining) đang nổi lên như một giải pháp hiệu quả, cho phép sản xuất trực tiếp từ mô hình 3D thiết kế bằng máy tính (CAD) Ban đầu được biết đến với tên gọi tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) và in 3D, công nghệ này đã được phát triển từ những năm 1980 để tạo ra các nguyên mẫu vật lý Quy trình bắt đầu bằng việc tạo mô hình CAD ba chiều, sau đó chuyển đổi thành các lớp 2D trước khi gửi đến máy in 3D để xây dựng từng lớp vật thể Thời gian sản xuất có thể dao động từ vài giờ đến vài ngày, tùy thuộc vào kích thước và độ chính xác yêu cầu của sản phẩm.
Hình 0-8 Mô hình sản xuất truyền thống và sản xuất trực tiếp ( AM)
Các phương pháp in 3D phổ biến
Hệ thống máy in 3D sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để sản xuất các vật thể, được phân loại theo bản chất vật liệu Công nghệ in 3D có khả năng làm việc với vật liệu rắn như nhựa, kim loại, polymer, vật liệu lỏng như nhựa lỏng đông cứng dưới tác động của laser hoặc ánh sáng điện tử, và vật liệu dạng bột như bột kim loại hoặc bột gốm Sau quá trình in, sản phẩm thường trải qua các bước hoàn thiện như loại bỏ bụi bẩn và các chất liệu khác, cũng như có thể cần thêm quá trình thêu kết để lấp đầy các lỗ hổng Nghiên cứu này tập trung vào công nghệ in 3D cho vật liệu nhựa dẻo.
Công nghệ in 3D với vật liệu nhựa dẻo là phương pháp phổ biến nhất cho mô hình hóa và sản xuất sản phẩm nhựa Quá trình này diễn ra bằng cách đặt vật liệu theo từng lớp, trong đó sợi nhựa được cung cấp cho vòi phun đùn, được làm nóng để tan chảy và điều khiển bởi phần mềm CAM Các mô hình được tạo ra bằng cách đùn các hạt nhựa nhiệt dẻo, cứng lại ngay sau khi ra khỏi vòi phun Động cơ bước hoặc servo thường được sử dụng để di chuyển đầu đùn Công nghệ này nổi bật trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh, cho phép thử nghiệm lặp đi lặp lại và sản xuất nhanh chóng với chi phí tương đối thấp.
Hình 0-11 Sản phẩm nhựa được in 3D
Theo kỹ thuật, in 3D có thể phân ra 9 loại hình cơ bản sau đây: a) Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling)
Máy in 3D sử dụng công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) tạo ra mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy và hóa rắn từng lớp, hình thành cấu trúc chi tiết dạng khối Được thương mại hóa từ năm 1991, công nghệ này hiện đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào giá thành máy móc và vật liệu in 3D tương đối rẻ, chiếm ưu thế lớn trong số lượng thiết bị tại Việt Nam.
Các vật liệu dạng sợi đang ngày càng phát triển với các tính năng nổi bật như kháng axit, hóa chất, ma sát thấp và độ bền cao Những sợi vật liệu FDM mới được chế tạo từ hỗn hợp sợi cắt nhỏ như polycarbonate và sợi carbon, mang lại các chi tiết bền, nhẹ và ổn định về kích thước Máy in 3D FDM có khả năng in ấn từ các bộ phận thay thế nhỏ cho xe hơi cổ điển đến các công cụ và đồ gá trong ngành hàng không vũ trụ, trở thành lựa chọn tối ưu cho các chi tiết yêu cầu chức năng và hiệu suất cơ học cao.
Công nghệ FDM thường gặp phải vấn đề về độ phân giải thấp, dẫn đến các đường phân lớp rõ rệt trên bề mặt mẫu in, do đó cần thực hiện các công đoạn xử lý như đánh bóng và chà nhám để cải thiện chất lượng bề mặt Quá trình in 3D FDM cũng dễ bị ảnh hưởng bởi biến động nhiệt độ, gây ra hiện tượng tách lớp và cong vênh Việc in FDM yêu cầu sự phối hợp chặt chẽ giữa các bộ phận chuyển động, và bất kỳ sự cố nào với đầu in hay hệ thống ép đùn đều có thể gây ra lỗi trên mẫu in Do đó, việc cài đặt chế độ in, phần cứng và thông số kỹ thuật vật liệu rất quan trọng Ngược lại, công nghệ SLA, được phát triển bởi Chuck Hull vào năm 1983, sử dụng tia UV để làm cứng từng lớp nhựa lỏng, cho phép tạo ra các sản phẩm in 3D với độ phân giải và độ mịn cao nhất, thường được ứng dụng trong ngành sản xuất giày dép của các thương hiệu lớn như Nike và Adidas Công nghệ DLP (Digital Light Processing) cũng là một phương pháp hiện đại trong in 3D, sử dụng ánh sáng kỹ thuật số để xử lý vật liệu.
Công nghệ DLP, được phát minh bởi Larry Hornbeck vào năm 1987, đã trở nên rất phổ biến trong lĩnh vực máy chiếu Công nghệ này sử dụng một mạng lưới vi-gương được điều khiển bằng máy tính để tạo ra hình ảnh chất lượng cao.
Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) được mô tả qua sơ đồ trên chip bán dẫn, trong đó các gương nhỏ nghiêng để phản xạ ánh sáng, tạo ra các pixel sáng hoặc tối Công nghệ này không chỉ được ứng dụng trong máy chiếu phim và điện thoại di động mà còn trong in ấn 3D, mang lại tốc độ cao và độ phân giải tốt Bên cạnh đó, công nghệ SLS (Selective Laser Sintering) cũng là một phương pháp quan trọng trong lĩnh vực in 3D.
Công nghệ SLS hoạt động tương tự như SLA, nhưng sử dụng vật liệu dạng bột và có thể kết hợp với keo chuyên dụng hoặc tia laser, tia UV để tạo lớp Tuy nhiên, máy in 3D này yêu cầu laser công suất lớn, dẫn đến giá thành cao Công nghệ SLM (Selective Laser Melting) là công nghệ in 3D kim loại, sử dụng vật liệu bột như titan, nhôm, đồng và thép SLM cũng tương tự như SLA và SLS nhưng sử dụng tia UV và laser cường độ lớn, với vật liệu chủ yếu là thép không gỉ, nhôm, titan và cobalt chrome Công nghệ này được ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ và y tế để tạo ra các bộ phận phức tạp, nhưng do chi phí máy và vật liệu cao, nên chưa phát triển mạnh tại Việt Nam.
Nam Các nước có sản xuất máy và sử dụng công nghệ này nhiều nhất đó là: Trung
Quốc, Mỹ, Đức, Ý,… Ở Việt Nam một số đơn vị nha khoa sử dụng máy in 3D kim loại để sản xuất răng Giá máy in 3D kim loại $200.000
(a) Công nghệ DLP (b) Công nghệ SLS (c) Công nghệ SLM
Hình 0-12 Sơ đồ mô tả công nghệ DLP, SLS, SLM f) Công nghệ in nóng chảy nhờ chùm tia điện tử EBM (Electron Beam Melting)
Kỹ thuật EBM, trái ngược với SLM, sử dụng chùm tia điện tử được điều khiển bằng máy tính trong môi trường chân không để làm tan chảy hoàn toàn bột kim loại ở nhiệt độ cao lên đến 1000°.
C Cấu tạo của máy EBM: bao gồm hai buồng chính là buồng tạo chùm electron - điều khiển chùm electron, và buồng chế tạo chi tiết Buồng tạo chùm electron bao gồm một súng bắn ra chùm electron - tạo ra bởi một sợi vonfram được đốt nóng - với công suất
Hệ thống chế tạo sử dụng chùm electron với công suất 60 W và cường độ tối đa 50 mA, cho phép điều chỉnh tốc độ quét lên đến 8000 m/s Buồng chế tạo bao gồm hai thùng cấp bột cung cấp nguyên liệu cho quá trình sản xuất, cùng với hệ thống gạt bột để phân phối đều bột sau mỗi lớp được nung chảy hoàn toàn Để tối ưu hóa chất lượng chùm electron và giảm thiểu sự oxi hóa của vật liệu, buồng chế tạo được đặt trong môi trường chân không với áp suất khoảng 10-50 bar Công nghệ này thuộc lĩnh vực LOM (Laminated Object Manufacturing).
Hình 0 13 Sơ đồ nguyên lý làm việc của công nghệ EBM
Hình 0 14 Sơ đồ nguyên lý làm việc của công nghệ LOM
Công nghệ LOM sử dụng lớp giấy, nhựa hoặc kim loại mỏng dính, được kết hợp dưới nhiệt và áp suất, sau đó được cắt bằng tia laser hoặc dao Các đối tượng 3D được hình thành qua từng lớp, và sau khi loại bỏ vật liệu thừa, chúng có thể được đánh giấy ráp hoặc sơn Mặc dù kích thước của máy in LOM nhỏ hơn so với SLA và SLS, nhưng đây là một trong những phương pháp in 3D tiết kiệm chi phí và nhanh chóng nhất, cho phép tạo ra các bộ phận lớn và đầy màu sắc.
Công nghệ in phun kết dính 3D, hay còn gọi là “in phun 3D” hoặc “chất kết dính phun”, được phát minh tại MIT Máy in 3D BJ sử dụng bột kết hợp với chất kết dính lỏng để tạo ra các chi tiết rắn, có thể xem như sự kết hợp giữa SLS và phun vật liệu Chất kết dính được ép đùn từ đầu in, tương tự như máy in phun 2D, và sau mỗi lớp hoàn thành, tấm xây dựng sẽ hạ xuống để tiếp tục quá trình in.
Công nghệ in phun kết dính BJ, đặc biệt là công nghệ MJ (Material Jetting/Wax Casting), cho phép tạo ra đồ trang sức tùy biến chất lượng cao thông qua quá trình đúc sáp, một kỹ thuật đã được sử dụng từ lâu bởi thợ kim hoàn Việc áp dụng in 3D giúp tự động hóa quá trình đúc sáp, hỗ trợ thợ kim hoàn trong việc gia công các chi tiết phức tạp Trên thị trường hiện có một số máy in sáp 3D chuyên nghiệp như “Wax Jet” từ Statasys, nhưng nếu không đủ kinh phí, người dùng có thể thử nghiệm qua các dịch vụ in 3D như Shapeways hoặc Sculpteo Trong số các công nghệ in, FDM và FFF nổi bật với chi phí thấp và dễ thực hiện, do đó, bài viết sẽ tập trung vào kỹ thuật in 3D này để khảo sát, thiết kế và cải tiến máy in 3D nhựa thành máy in 3D composite, đồng thời nghiên cứu cơ tính của sản phẩm in.
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D và chế tạo composite từ vật liệu polymer đã có những bước tiến đáng kể trong ngành chế tạo và sản xuất mẫu thử nhanh Công nghệ in 3D cho phép tạo ra sản phẩm với cấu trúc phức tạp mà không cần lắp ghép hay chỉnh sửa, nhưng sản phẩm từ phương pháp Fused Deposition Modeling thường gặp vấn đề về độ bền và khả năng tách lớp Việc kết hợp ép đùn sợi tăng cường với nhựa nhiệt dẻo giúp tạo ra vật liệu composite mới, có khả năng chịu lực tốt và đáp ứng yêu cầu bền vững cho chi tiết thực Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tối ưu hóa cơ tính của vật liệu in 3D composite, đặc biệt là với sợi carbon, và ảnh hưởng của phân bố vật liệu lên cơ tính Nhiều công ty lớn như Markforged, Anisoprint, và Stratasys đang đầu tư vào công nghệ này, với sản phẩm chân giá đỡ ghế máy bay của Anisoprint giảm 40% trọng lượng so với kim loại, góp phần tiết kiệm nhiên liệu cho máy bay.
Vật liệu in 3D, thuộc nhóm sản phẩm của chế tạo cộng (Additive manufacturing - AM), đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ô tô, hàng không vũ trụ, robot và y tế Thiết kế sản phẩm in 3D thường bao gồm ba khía cạnh chính: phân tích cấu trúc, tối ưu hóa vật liệu và thử nghiệm kiểm chứng Số liệu cho thấy công bố khoa học về in 3D đã tăng mạnh trong những năm gần đây, đặc biệt là về vật liệu composite sau khi công nghệ in được cải tiến Việc bổ sung sợi cắt ngắn vào nhựa in 3D đã cải thiện đáng kể các cơ tính như độ bền kéo và độ bền uốn, trong khi việc sử dụng sợi carbon liên tục còn mang lại sự cứng chắc vượt trội so với các vật liệu truyền thống Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào mẫu thí nghiệm đơn lẻ và cần mở rộng để đánh giá cơ tính theo hướng trực hướng và dị hướng Cấu trúc của vật liệu in 3D composite có sự khác biệt đáng kể so với vật liệu composite thông thường, đòi hỏi phát triển các mô hình tính toán mới để phản ánh chính xác ứng xử của chúng Các mô hình hiện tại chưa kết hợp đầy đủ các yếu tố vi mô và vĩ mô, dẫn đến việc cần thiết phải áp dụng mô hình đa tỉ lệ để cải thiện độ chính xác trong dự đoán cơ tính và ứng xử của vật liệu in 3D composite.
Phương pháp này xem xét phần tử đại diện RVE như một tập hợp vô hạn các cấu trúc vật liệu đồng nhất, từ đó dự đoán cơ lý tính và ứng xử của vật liệu ở cấp độ vĩ mô dựa trên kết quả phân tích ở cấp độ vi mô hoặc trung bình Các ứng dụng của phương pháp đã được trình bày trong nhiều công bố khoa học gần đây Hiệu quả của phương pháp cũng đã được phân tích thông qua nghiên cứu về cơ tính của vật liệu in 3D composite sử dụng sợi carbon liên tục trong nền nhựa Tuy nhiên, mô hình dự đoán cần được cải tiến để có thể dự đoán chính xác hơn về ứng xử của các vật liệu in 3D composite phức tạp, đồng thời kết quả dự đoán cũng cần được kiểm chứng thực nghiệm.
Hiện nay, chỉ có khoảng 5 công ty trên thế giới đang phát triển máy in 3D composite, trong đó có Markforge và Anisoprint Một ví dụ điển hình là chân giá đỡ của ghế máy bay do Anisoprint sản xuất, sử dụng công nghệ in 3D composite giúp giảm khối lượng lên tới 40% so với chân giá làm bằng kim loại, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng hoạt động theo yêu cầu, góp phần tiết kiệm hiệu quả.
Chi phí tiêu hao nhiên liệu của máy bay lên tới 50.000 đô la Mỹ mỗi năm, trong khi chân robot của Boston Dynamics được chế tạo từ công nghệ in 3D composite, giảm 70% trọng lượng so với hợp kim nhôm và tiết kiệm 40% chi phí gia công Công nghệ này sử dụng sợi tăng cường được dải trên hàng trăm lớp khác nhau ở kích thước vi mô và trung bình, tạo ra vật liệu composite bền chắc và nhẹ, đáp ứng yêu cầu sức bền cho các chi tiết thực Tuy nhiên, cấu trúc dải sợi gia cường hiện tại vẫn chưa tối ưu do chỉ bao quanh các đường viền ngoài hoặc lỗ bên trong Để cải thiện chất lượng sản phẩm, cần tiến hành mô phỏng ứng xử và phân bố ứng suất của chi tiết kết cấu trong các trạng thái chịu lực khác nhau, nhằm tìm ra hướng dải sợi tối ưu và lập trình quỹ đạo dải sợi liên tục một cách chính xác Hiện tại, các sản phẩm mẫu chỉ dừng lại ở giai đoạn chế tạo thử nghiệm và so sánh với chi tiết kim loại tương tự mà chưa có sự kết nối với mô hình tính toán hay kiểm chứng giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Hình 0-16 Chân giá ghế máy bay được tạo ra bởi công nghệ in 3D sử dụng sợi carbon liên tục giảm 40% khối lượng
Cho đến nay, các mô hình trên thế giới vẫn chưa đánh giá đầy đủ độ cứng của vật liệu, loại vật liệu và hình dáng chi tiết, ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của chi tiết máy trong các điều kiện cụ thể Những khó khăn chính bao gồm khoảng trống hình thành, độ bám dính của sợi vật liệu, tắc nghẽn do chất trộn phụ gia, thời gian bảo dưỡng, cùng với các vấn đề liên quan đến mô hình hóa và mô phỏng.
Cải tiến công nghệ để nâng cao độ cứng vật liệu in 3D là một hướng nghiên cứu mới và được đầu tư những năm gần đây
Sợi carbon liên tục kết hợp với nhựa
PA bằng in 3D composite Đầu nhiệt
Kéo cắt Đầu phun kép Vòi phun
Bó carbon Nhựa liên tục
Trọng lượng sản phẩm là 250g, giảm 40% nhờ vào các kỹ thuật in 3D Các phương pháp in 3D bao gồm: a) In 3D bằng nhựa thuần, b) In 3D composite với nhựa trộn sợi carbon cắt ngắn, và c) In 3D composite kết hợp sợi carbon liên tục Hình 0-17 minh họa các kỹ thuật in 3D FDM.
Nghiên cứu của NCS tập trung vào việc sử dụng vật liệu composite nền nhựa để cải thiện độ cứng của các chi tiết in 3D Các phương pháp chính bao gồm sử dụng hạt độn, sợi cắt ngắn và sợi liên tục.
Hình 0-18 Các dạng vật liệu gia cường
Sự kết hợp giữa vật liệu composite và công nghệ in 3D sẽ tạo ra các kết cấu, sản phẩm in 3D bền, nhẹ, linh hoạt trong một lần gia công
Nghiên cứu này phân tích độ cứng của các chi tiết cơ khí in 3D composite, xây dựng mô hình toán để dự đoán độ cứng và khảo sát ảnh hưởng của vật liệu composite Công nghệ in 3D composite hứa hẹn là bước ngoặt cho công nghệ sản xuất, cho phép chế tạo thiết bị chức năng với thuộc tính có thể kiểm soát Việc kết hợp nhiều loại vật liệu composite tạo ra cơ hội cho các nghiên cứu mới, với khả năng kiểm soát chính xác các tính chất vật lý và hóa học Sợi gia cố cải thiện đáng kể đặc tính cơ học của các bộ phận in 3D, với vật liệu CF-ABS có độ bền vượt trội hơn cả nhôm Tuy nhiên, thách thức lớn trong việc liên kết các sợi trong in 3D composite vẫn cần được giải quyết Những tiến bộ trong in FDM của nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi liên tục đã đưa AM trở thành phương pháp sản xuất tiềm năng cho nhiều ngành công nghiệp Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng vẫn còn những thách thức như độ bám dính kém của sợi gia cố và tắc nghẽn trong máy in 3D AM composite vẫn là lĩnh vực mới cần nhiều nghiên cứu hơn về mô hình hóa cấu trúc FEM có thể áp dụng để phân tích cấu trúc hỗn hợp trong in 3D với các điều chỉnh phù hợp.
Hình 0-19 Công nghệ FDM dùng vật liệu composite gia cường sợi carbon liên tục a) Sơ đồ, b) Sợi dùng trong FDM, c) Hình ảnh thực tế
Công nghệ in 3D với composite polymer cốt sợi đang hứa hẹn trở thành phương pháp sản xuất chủ đạo nhờ vào tính tùy biến cao và khả năng tạo ra cấu trúc 3D phức tạp Các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, ô tô, y sinh, điện tử và robot đang chú ý đến công nghệ này Theo các tác giả Jabran Saroia và cộng sự, in 3D đã mang lại bước tiến cách mạng trong sản xuất, nhưng vẫn đối mặt với nhiều thách thức như lựa chọn vật liệu, thời gian sản xuất, chi phí cao và các vấn đề liên quan đến tính chất cơ học Mặc dù quy trình sản xuất bồi đắp đã được mở rộng với nhiều loại vật liệu như polymer nhiệt dẻo, kim loại, gốm sứ và các vật liệu tổng hợp gia cường, việc lựa chọn vật liệu vẫn phụ thuộc vào quá trình và tính chất sản phẩm cần thiết Hạn chế về phạm vi vật liệu và tốc độ xử lý cũng là những yếu tố cần được khắc phục để tối ưu hóa công nghệ này.
Sự khác biệt trong quá trình làm mát dẫn đến những thay đổi trong cấu trúc của các sản phẩm in từ mô hình CAD ban đầu, điều này cho thấy rằng in 3D vẫn chưa thể trở thành phương pháp sản xuất hàng loạt cho bất kỳ sản phẩm nào.
Hình 0-20 Các công nghệ của AM: a) FDM, b) SLS, c)SLS, d) PLP
Những tiến bộ gần đây trong sản xuất bồi đắp đã cho phép tạo ra các sản phẩm với đặc tính cơ học tùy chỉnh, đặc biệt trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ và y sinh, nơi yêu cầu độ bền cao và trọng lượng nhẹ Vật liệu composite đang thu hút sự chú ý nhờ vào tính chất cơ học vượt trội và các đặc tính khác như dẫn điện và nhiệt Tuy nhiên, việc bổ sung vật liệu gia cường gặp nhiều hạn chế do hiện tượng cụm hạt, dẫn đến giảm tính chất cơ học Các yếu tố như kích thước hạt và tính chất vật lý có thể cản trở quá trình in 3D, làm giảm lực liên kết giữa các lớp và ảnh hưởng đến bề mặt sản phẩm Kỹ thuật FDM, phổ biến và tiết kiệm chi phí, thường gặp vấn đề về hình thành khoảng trống do quá trình gia nhiệt và làm nguội đồng thời, gây ra cấu trúc dị hướng và giảm thuộc tính cơ học Trong khi đó, các phương pháp in 3D khác như thiêu kết và nóng chảy cũng gặp phải những vấn đề tương tự về tốc độ xử lý và tính chất dị hướng Dù đối mặt với nhiều thách thức, công nghệ AM vẫn cho thấy tiềm năng lớn và đang được nghiên cứu để cải thiện so với các phương pháp sản xuất truyền thống Sự phát triển của vật liệu tổng hợp polymer trong những năm gần đây cung cấp nhiều lựa chọn cho các nhà nghiên cứu trong việc phân tích và kiểm soát đặc tính sản phẩm, mở ra hướng đi mới cho phát triển vật liệu.
Hình 0-21 Hướng in ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu in và so sánh cơ tính với mẫu ép khuôn.
Một nghiên cứu của ĩmit Çevik và Menderes Kam tại Đại học Düzce đã đánh giá tính chất cơ học của sản phẩm thu được từ phương pháp FDM và sợi tổng hợp kim loại/polymer Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích sự thay đổi trong tính chất cơ học của các sản phẩm in 3D khi thêm các vật liệu gia cường nhằm mục đích thương mại hóa Kết quả từ các thí nghiệm đã chỉ ra những đặc điểm quan trọng liên quan đến hiệu suất của các sản phẩm này.
(1) Sử dụng vật liệu in được trộn các thành phần khác với các tỷ lệ khác nhau có thể góp phần tối ưu độ cứng của vật liệu in
Trong việc xác định tính chất cơ học của kết cấu in 3D, đặc tính của vật liệu gia cường và tỷ lệ trộn đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng mạnh mẽ đến tính chất cơ học của sản phẩm.
Độ bền kéo của các kết cấu in từ sợi tổng hợp đã được cải thiện đáng kể nhờ vào việc bổ sung các sợi gia cường như carbon, sợi carbon, sợi aramid và sợi thủy tinh.
Tình hình nghiên cứu trong nước
Theo Quyết định số 3685/QĐ-BKHCN ngày 03/12/2018 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ, công nghệ in 3D được xác định là một trong những công nghệ chủ chốt của công nghiệp 4.0, được ưu tiên đầu tư và phát triển Mặc dù các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào in 3D với vật liệu nhựa để tạo mẫu thử nhanh, nhưng vẫn còn hạn chế trong việc mô phỏng ứng xử của các vật liệu này Hiệu quả của việc áp dụng công nghệ in 3D trong ngành xây dựng đã được công bố, đặc biệt là loại bê tông in 3D kết cấu vỏ tôm hùm chứa sợi thép có kích thước như sợi tóc, được giới thiệu gần đây.
Nghiên cứu tối ưu hóa hình học cấu trúc tế bào theo hướng in 3D với các thành phần hình học thích nghi đang được triển khai gần đây Một số máy in 3D thông thường sử dụng công nghệ FDM đã được nghiên cứu và chế tạo Tuy nhiên, công nghệ in 3D và chế tạo vật liệu composite vẫn còn mới mẻ tại Việt Nam Gần đây, công ty Arevo đã quyết định xây dựng nhà máy in 3D composite lớn nhất thế giới tại Việt Nam, dự kiến hoạt động 100% từ năm 2025 Nhiều công trình nghiên cứu trong nước đã được thực hiện về vật liệu composite, bao gồm nâng cao độ bền với môi trường, ảnh hưởng của thông số hình học sợi carbon ngắn đến cơ tính vật liệu, đặc tính phá hỏng khi cắt, nghiên cứu về tấm vật liệu composite chức năng và ứng dụng trong y sinh.
Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ in 3D với vật liệu composite là vấn đề quan trọng, mang tính quốc tế và thực tiễn, đồng thời phù hợp với xu hướng đổi mới sáng tạo của đất nước Tuy nhiên, hiện nay, các nghiên cứu và ứng dụng trong nước vẫn chưa khai thác triệt để tiềm năng của vật liệu composite và công nghệ in 3D, đặc biệt là sự kết hợp hiệu quả giữa hai công nghệ này trong chế tạo sản phẩm.
Nghiên cứu về chất lượng chi tiết được chế tạo bằng công nghệ in 3D với vật liệu composite cho thấy một số vấn đề lớn còn tồn tại, được công bố gần đây cả trong nước và quốc tế.
- Vật liệu composite làm tăng độ cứng nhưng chưa có đánh giá đối với vật liệu cụ thể;
Trật tự xếp lớp và phân bố sợi gia cường trong vật liệu composite là yếu tố quan trọng cần được thiết kế hợp lý, vì chúng ảnh hưởng lớn đến độ cứng và khả năng chịu lực của chi tiết.
Công nghệ in 3D đã có những bước tiến vượt bậc so với sản xuất truyền thống, nhưng vẫn gặp phải nhược điểm về độ cứng của chi tiết Do đó, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite để khắc phục vấn đề này là một hướng đi hợp lý và hiệu quả.
- Hiện cũng chưa có bất kỳ một dòng máy in 3D composite sử dụng sợi gia cường
“Make in Việt Nam” nào thương mại trong nước.
Kết luận chương
Chương 1 đã cho thấy công nghệ in 3D là một công nghệ có rất nhiều ứng dụng và tiềm năng để phát triển trong tương lai Nghiên cứu tổng quan cho thấy công nghệ in 3D sử dụng vật liệu composite là 1 hướng đi mới và còn nhiều vấn đề bỏ ngỏ cần nghiên cứu và phát triển hơn để mở rộng ứng dụng sớm của công nghệ rất hứu hẹn này trong thời gian nhanh nhất.
