Báo cáo cuối kỳ vật liệu và công nghệ in 3d mse5223 Đề tài tổng quan về loại vật liệu trong công nghệ in 3d (selective laser sintering)

Các vật liệu sử dụng trong công nghệ in 3D rất đadạng và được lựa chọn dựa trên ứng dụng, yêu cầu kỹ thuật, và tính chất của sản phẩm cuối cùng.. Đặc biệt, ABS có khả năng chịu va đập rấ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG VẬT LIỆU

**********

BÁO CÁO CUỐI KỲ

Vật Liệu Và Công Nghệ In 3D - MSE5223

Đề Tài: Tổng quan về loại vật liệu trong công nghệ in 3D (Selective Laser Sintering)

       Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS LÊ THÁI HÙNG

Chương 1: Tổng quan về vật liệu in 3D

In 3D là một công nghệ sản xuất vật thể từ mô hình kỹ thuật số thông qua việc lắng đọng từng lớp vật liệu Các vật liệu sử dụng trong công nghệ in 3D rất đadạng và được lựa chọn dựa trên ứng dụng, yêu cầu kỹ thuật, và tính chất của sản phẩm cuối cùng Dưới đây là tổng quan chi tiết về các loại vật liệu phổ biến trong công nghệ in 3D:

1 Nhựa (Plastics)

Nhựa là vật liệu phổ biến nhất trong in 3D nhờ vào tính dễ sử dụng, độ bền và chi phí thấp Các loại nhựa được sử dụng trong in 3D bao gồm:

 PLA (Polylactic Acid):

o Là nhựa sinh học, dễ phân hủy

o Thường được sử dụng trong các ứng dụng gia đình, giáo dục và mẫu thử nhanh

 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene):

o Vật liệu bền, dễ gia công và có khả năng chịu nhiệt tốt

o Thường dùng cho các sản phẩm cần độ bền cơ học cao, chẳng hạn như

vỏ điện thoại, các bộ phận ô tô

 PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol):

o Là nhựa bền và dễ sử dụng với đặc tính chống nước và độ trong suốt cao

o Thường được sử dụng trong sản xuất hộp đựng thực phẩm và các sản phẩm cần tính chất chống va đập tốt

chịu nhiệt tốt Các ứng dụng điển hình bao gồm đồ gốm nghệ thuật, phụ kiện trang trí, và các bộ phận trong ngành y tế.

Chương 2: Đặc điểm, tinh chất, yêu cầu từng loại

- Ưu điểm của PLA là dễ in, rẻ và có nhiều công dụng khác nhau

Hình 2.1: Sự phổ biến của nhựa PLA trong in 3D

2.1.1.2) Đặc tính của nhựa PLA

- Độ bền: PLA không phải là loại nhựa được biết đến nhờ độ bền của nó (đó cóthể là nylon hoặc PC), nhưng độ bền của PLA phụ thuộc nhiều vào cách thức sảnxuất hơn là bản chất vật liệu Ví dụ: sử dụng mật độ chèn và chiều cao lớp cao hơn

sẽ mang lại chi tiết in 3D mạnh hơn

- Tính linh hoạt: PLA là một loại nhựa cứng, nghĩa là nó có độ bền uốn thấp sovới các loại nhựa khác, đặc biệt là các loại nhựa dẻo như TPU Ngoài ra, PLA rấtgiòn Thay vì uốn cong, nó thường giòn và dễ gãy

- Khả năng chịu nhiệt độ: PLA không yêu cầu bàn in được làm nóng, do đó bạnhoàn toàn có thể được sử dụng trên máy in 3d giá rẻ Điều này là do nhiệt độchuyển thủy tinh thấp của PLA, bạn không nên sử dụng PLA ngoài trời hoặc đểchúng dưới ánh nắng trực tiếp vì chúng có thể dễ dàng bị biến dạng

- Khả năng chống tia cực tím: PLA không xử lý tốt tia nắng mặt trời Tương tựnhư khi tiếp xúc với nhiệt, các bộ phận PLA có thể biến dạng khi tiếp xúc với tia

UV trong thời gian dài

- Kháng hóa chất: PLA không hòa tan trong các dung môi như axeton hoặc rượuisopropyl và nhìn chung, nhựa PLA là vật liệu ổn định và kháng hóa chất Tuynhiên, bạn vẫn có thể sử dụng các dung môi mạnh hơn như dichloromethane và cáchỗn hợp như XTC3D để hòa tan hoặc làm mịn các lớp PLA

- PLA được coi là loại nhựa thân thiện với môi trường do có nguồn gốc từ thựcvật và có khả năng tự phân hủy sinh học

Hình 2.2: PLA được các nhà sản xuất ưa chuộng cũng như khả năng tạo mẫu

nhanh

2.1.1.3 Phương pháp sản xuất PLA

PLA được sản xuất thương mại theo nhiều phương pháp khác nhau để đạt đượcphân tử polymer có khối lượng lớn Hai đơn phân chính được sử dụng để tạo raPLA là axit lactic và lactide (cyclic di-ester)

Hình 2.3: Nhựa PLA được sản xuất với đa dạng màu sắc

1) Trùng hợp mở vòng Lactide:

- Đây là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất PLA

- Lactide được trùng hợp mở vòng bằng chất xúc tác kim loại (thường là thiếcoctoate) trong dung dịch hoặc huyền phù

- Phản ứng xúc tác kim loại có xu hướng dẫn đến racemic hóa PLA, làm giảmtính lập thể so với vật liệu sinh khối ban đầu

2) Trùng ngưng trực tiếp axit lactide

- Phương pháp này diễn ra ở nhiệt độ dưới 200°C, tạo ra lactide do phản ứngthuận entropy (tăng tính hỗn loạn)

- Quá trình này giải phóng nước tương đương với mỗi bước ester hóa Nước cầnđược loại bỏ bằng chân không hoặc chưng cất azeotropic để thúc đẩy trùng ngưng

và đạt được khối lượng phân tử cao

- Bằng cách kết tinh polyme thô ở trạng thái nóng chảy có thể thu được phân tử

có kích thước lớn hơn Điều này tập trung các nhóm đầu carbolylic và alcohol vàovùng vô định hình của polyme rắn, phản ứng để đạt được trọng lượng phân tử từ128-152 kDa

2.1.1.4) Ưu nhược điểm của nhựa PLA

- Ưu điểm: Dễ in, thân thiện môi trường, nhiều màu sắc, an toàn

- Nhược điểm: Chịu nhiệt kém, độ bền thấp, dễ bị biến dạng

Hình 1.4: Nhựa PLA giòn, dễ gãy ngay cả khi chưa sử dụng

2.1.2) Nhựa ABS

Nhựa ABS cũng là một trong số những loại nhựa phổ biến với khả năng chống

va đập cao khi ở nhiệt độ thấp, chủ yếu sử dụng trong máy in 3D FDM Nhựa ABS

là một loại polymer nhiệt dẻo bao gồm ba monome: acrylonitrile, butadiene vàstyrene

Hình 2.4: In 3D với nhựa ABS 2.1.2.1) Một số tính chất của nhựa ABS

1 Tính chất cơ học

 Độ bền cao: ABS có độ bền cơ học rất tốt, giúp nó chống lại lực tác động

mạnh và va đập Đặc biệt, ABS có khả năng chịu va đập rất tốt ở nhiệt độ thấp, là lý do nó thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao

 Khả năng chịu lực: ABS có khả năng chịu lực căng và nén tốt, giúp các sản

phẩm làm từ ABS có khả năng chịu lực tốt trong quá trình sử dụng Do đó, ABS được ứng dụng rộng rãi trong các bộ phận phải chịu lực như vỏ máy móc, ô tô, và các thiết bị công nghiệp

 Khả năng chống va đập: ABS có khả năng chống va đập cực kỳ tốt, điều

này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cần tính năng chống va đập, chẳng hạn như trong sản xuất các bộ phận ô tô hoặc đồ gia dụng

2 Tính chất nhiệt

 Nhiệt độ chịu đựng: ABS có khả năng chịu nhiệt tốt, với nhiệt độ chịu đựng

khoảng 100°C Tuy nhiên, khi so với một số nhựa khác như PETG, ABS

không có khả năng chịu nhiệt tuyệt vời trong các môi trường quá nóng

 Chịu nhiệt tốt: Nhựa ABS có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn nhiều

loại nhựa thông thường, và nó có thể duy trì độ bền và tính linh hoạt ở nhiệt

độ cao Điều này làm cho nó phù hợp để sử dụng trong các bộ phận máy móc, thiết bị điện tử và ô tô.

 Giãn nở nhiệt: ABS có tính giãn nở nhiệt khá cao, điều này có thể gây ra

vấn đề trong một số ứng dụng nếu không kiểm soát tốt trong quá trình sản xuất Do đó, khi in 3D, cần có một nền nhiệt để tránh tình trạng co rút hoặc cong vênh trong khi làm nguội

3 Tính chất hóa học

 Kháng hóa chất: ABS có khả năng chống lại các hóa chất, dầu mỡ và dung

môi nhẹ Tuy nhiên, nó không kháng tốt với một số hóa chất mạnh như axit hoặc kiềm Điều này hạn chế ứng dụng của ABS trong một số ngành công nghiệp yêu cầu khả năng chống ăn mòn hoặc tiếp xúc với các chất hóa học mạnh

 Khả năng chống ăn mòn: ABS có khả năng chống lại các điều kiện môi

trường thông thường nhưng không chịu được các chất ăn mòn mạnh Điều này làm cho ABS không phải là lựa chọn tốt cho các ứng dụng ngoài trời lâudài hoặc trong môi trường có tính ăn mòn cao

4 Tính chất cơ bản

 Khối lượng riêng: ABS có khối lượng riêng tương đối thấp so với nhiều vật

liệu khác, làm cho nó có trọng lượng nhẹ nhưng vẫn đảm bảo độ bền cơ học cao Điều này giúp giảm trọng lượng tổng thể của các sản phẩm được sản xuất từ ABS mà không làm giảm độ bền

 Độ cứng: ABS có độ cứng tốt, nhưng không quá cứng như một số nhựa

khác như polycarbonate (PC), có thể bị nứt hoặc vỡ khi chịu lực tác động

mạnh

 Độ bền cơ học tổng thể: Mặc dù không phải là vật liệu mạnh mẽ nhất trong

tất cả các ứng dụng, nhưng sự kết hợp của tính chất cơ học, khả năng chịu vađập và dễ gia công khiến ABS trở thành vật liệu được ưa chuộng trong nhiềungành công nghiệp

2.1.2.2) Ưu và nhược điểm

*) Ưu điểm:

- Giá thành thấp nên trở thành vật liệu nhựa in rất phổ biến

- Khả năng chống va đập

- Độ cứng tốt do có tính cơ học cao, có thể duy trì hình dạng cho các mẫu inphức tạp

Hình 2.5: Nhựa PETG với chất lượng trong suốt2.1.3.1 Thành phần của nhựa PETG

Thành phần của nhựa PETG có nguồn gốc từ thành phần của polyethyleneterephthalate (PET) đã được điều chỉnh hàm lượng glycol Nhựa PETG được chếtạo bằng cách thay thế ethylene glycol trong PET bằng cyclohexanedimanol(CHDM)

2.1.3.2) Một số tính chất nhựa PETG

1 Tính chất cơ học

 Độ bền cao: PETG có độ bền cơ học rất tốt, gần tương đương với ABS nhưng vượt trội hơn PLA về khả năng chống va đập Nó có thể chịu được các lực tác động mạnh mà không bị gãy hoặc vỡ, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng cần độ bền cao như bao bì và các bộ phận thiết bị

 Khả năng chịu va đập: Một trong những đặc điểm nổi bật của PETG là khả năng chống va đập rất tốt Điều này khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng cần sản phẩm chắc chắn và khó vỡ như vỏ đồ điện tử, bộphận ô tô hoặc các sản phẩm chịu tác động

 Khả năng kéo dãn: PETG có khả năng chịu kéo tốt và có độ dẻo cao, giúp vật liệu có thể uốn cong mà không bị gãy Điều này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng đòi hỏi độ linh hoạt cao, chẳng hạn như sản xuất các chi tiết hoặc bao bì

2 Tính chất nhiệt

 Chịu nhiệt trung bình: PETG có khả năng chịu nhiệt khoảng 70-80°C, thấp hơn so với ABS nhưng cao hơn PLA Nhiệt độ này giúp PETG có thể được

sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ không quá cao, như trong sản xuất các

bộ phận máy móc nhẹ hoặc vỏ thiết bị điện tử

 Không bị co rút mạnh: So với ABS và một số vật liệu khác, PETG có ít hiện tượng co rút khi nguội Điều này làm cho việc in 3D với PETG dễ dàng hơn,đặc biệt là không gặp phải vấn đề co rút, vặn xoắn hay nứt khi làm nguội

 Khả năng chịu nhiệt lâu dài: Mặc dù không thể chịu được nhiệt độ cao như polycarbonate (PC), PETG vẫn là một lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng cần tính ổn định nhiệt trong các môi trường có nhiệt độ trung bình hoặc khi

sử dụng trong các bộ phận phải tiếp xúc với môi trường nóng nhẹ

3 Tính chất hóa học

 Khả năng chống hóa chất: PETG có khả năng chống lại một số hóa chất nhẹ,bao gồm dầu mỡ, dung môi và một số axit Tuy nhiên, PETG không kháng được với các hóa chất mạnh như kiềm hoặc axit mạnh, điều này hạn chế ứngdụng của nó trong một số ngành công nghiệp yêu cầu kháng hóa chất cao

 Chống nước và độ bền với môi trường: PETG có khả năng chống nước tốt, làm cho nó trở thành lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng ngoài trời hoặc trong môi trường ẩm ướt Nhờ vào tính chất này, PETG thường được sử dụng trong các bao bì thực phẩm hoặc đồ uống, cũng như các sản phẩm phảitiếp xúc với nước

4 Tính chất quang học và thẩm mỹ

 Độ trong suốt: Một trong những đặc điểm nổi bật của PETG là khả năng tạo

ra các sản phẩm trong suốt hoặc có độ trong suốt cao Điều này làm cho PETG trở thành lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng cần độ trong suốt, chẳng hạn như sản xuất bao bì, thùng chứa thực phẩm, hoặc các chi tiết trang trí

 Bề mặt bóng mịn: PETG tạo ra bề mặt sản phẩm bóng mịn và có thể được

hoàn thiện bằng cách mài hoặc đánh bóng Sản phẩm in từ PETG có thể đạt được độ hoàn thiện cao mà không cần quá nhiều công đoạn gia công bổ sung

2.1.4) Bảng so sánh 3 loại nhựa

Nguồn gốc Sinh học (từ ngô,

mía) Tổng hợp (nhựatổng hợp) Tổng hợp (cải tiếntừ PET)

đề về co rút Dễ in, không có vấnđề về co rút Dễ in, ít gặp vấn đềco rút

PETG Cao, chịu va đập tốt Cao, chống va đậpvà linh hoạt

(70-80°C)

đồ chơi Các bộ phận cần độbền cao, ô tô, điện

tử

Đồ đựng thựcphẩm, ngoài trời,chi tiết trong suốtThân thiện với môi

trường Có, dễ phân hủysinh học Không thân thiệnvới môi trường sinh học, nhưng anKhông phân hủy

toàn hơn ABS trongnhiều trường hợp

2.1.5) Công nghệ áp dụng in 3D nhựa

Nhựa là một trong những vật liệu phổ biến nhất trong in 3D, vì tính linh hoạt và

dễ sử dụng Một số công nghệ in 3D thường dùng cho nhựa bao gồm:

 Fused Deposition Modeling (FDM): Đây là phương pháp phổ biến nhất

trong in 3D với nhựa Nhựa (thường là PLA, ABS, hoặc PETG) được nấu

chảy và xả ra từ một đầu in để tạo thành các lớp vật liệu, sau đó chúng nguội

và đóng rắn để xây dựng mô hình 3D Công nghệ này chủ yếu được sử dụng trong sản xuất mẫu thử, sản phẩm tiêu dùng và các mô hình cơ khí đơn giản

 Stereolithography (SLA): SLA sử dụng nhựa lỏng có khả năng đóng rắn

dưới ánh sáng UV Máy in sử dụng một tia laser để chiếu sáng và tạo ra các lớp vật liệu nhựa cứng, hình thành mô hình từ dưới lên SLA mang lại độ

chính xác và chi tiết rất cao, phù hợp với các ứng dụng trong ngành y tế,

trang sức và chế tác chi tiết nhỏ

 Selective Laser Sintering (SLS): Mặc dù SLS thường được dùng cho bột

kim loại, nó cũng có thể được áp dụng cho bột nhựa Phương pháp này sử

dụng laser để nung chảy bột nhựa, tạo thành lớp vật liệu dày đặc theo từng

lớp SLS cho phép tạo ra các sản phẩm không cần dùng hỗ trợ cấu trúc, rất thích hợp cho sản xuất các bộ phận cứng và mạnh.

2.2) Kim loại

2.2.1) Tổng quan về in 3D kim loại

Công nghệ in 3D kim loại là công nghệ tạo ra các sản phẩm in bằng kim loại, giúp khắc phục những nhược điểm của của công nghệ in 3D truyền thống trước đó, tạo ra những sản phẩm có độ bền cao. 

In 3D kim loại khác với những công nghệ in 3D như FDM hay DLP, công nghệ này sử dụng vật liệu đầu vào là bột kim loại và áp dụng nguồn năng lượng tia laser với cường độ lớn Từng lớp kim loại sẽ được đắp lớp, dần dần tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh. 

Hình 2.6: Tổng quan vật liệu in 3D kim loạiHiện nay công nghệ in 3D kim loại bao gồm 2 dạng chính là DMLS và SLM.  

Ưu điểm: 

 Tốc độ tạo ra sản phẩm nhanh hơn so với công nghệ in khác. 

 Trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh thì chi phí đầu tư sở hữu của công nghệ in 3Dkim loại là thấp nhất. 

 Chi phí sản xuất cũng như chi phí nguyên vật liệu thấp. 

 Vật liệu cho quá trình chế tạo và khả năng ứng dụng rất đa dạng. 

 Có khả năng in các sản phẩm với cấu tạo hình học phức tạp mà không cần

sự hỗ trợ của giá đỡ. 

 Dễ dàng để chuẩn bị, sử dụng cũng như bảo trì, bảo dưỡng. 

 Cho phép người dùng chế tạo ra các sản phẩm đa dạng từ các vật liệu khác nhau cùng khối lượng, kích thước với các tỷ lệ khác nhau, màu sắc đa dạng

so với chi tiết hoặc sản phẩm thật. 

2.2.2) Yêu cầu về vật liệu kim loại trong quá trình in 3D

In 3D kim loại, hay sản xuất bồi đắp, thực sự là bước đột phá trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau bằng cách cung cấp tính linh hoạt và hiệu suất thiết

kế đáng kinh ngạc Chọn đúng vật liệu là chìa khóa để đảm bảo một bộ phận in 3D thực hiện tốt chức năng của nó Mỗi kim loại có các đặc tính riêng biệt khiến chúng trở nên hoàn hảo cho các mục đích sử dụng khác nhau Vật liệu kim loại dùng trong công nghệ in 3D có những đặc điểm riêng biệt nhằm đáp ứng yêu cầu của quá trình sản xuất và ứng dụng thực tế Những đặc điểm này bao gồm: 

  Độ tinh khiết cao: 

Giảm thiểu tạp chất để tránh ảnh hưởng đến tính chất cơ học và quá trình hợp nhất. 

Các kim loại như nhôm và titan có trọng lượng nhẹ, nhưng vẫn đảm bảo độ bền,

giúp giảm khối lượng trong ứng dụng hàng không và ô tô. 

 Tương thích sinh học: 

Vật liệu như Titanium Ti6Al4V hoặc Cobalt-Chromium được sử dụng trong y tế

vì chúng không gây phản ứng với cơ thể người. 

2.2.3) Phân loại vật liệu kim loại trong in 3D

Vật liệu Kim loại Tính chất cơ bản Ứng dụng phổ biến

Thép không gỉ (Stainless

Steel) - Độ bền cơ học cao, chốngăn mòn tốt

- Dễ gia công, chịu nhiệt

tốt

- Có khả năng chống oxi

hóa

- Sản xuất các bộ phận cơkhí, phụ tùng ô tô

- Thiết bị y tế (dao kéo,dụng cụ phẫu thuật)

- Các bộ phận công nghiệp

chịu ăn mòn

nhiệt cao

- Chống ăn mòn tuyệt vời

- Có khả năng chịu tải cao

- Ngành hàng không vũ trụ(cánh máy bay, phụ tùng

máy bay)

- Sản xuất bộ phận y tế (cấyghép, khớp nhân tạo)

- Ngành thể thao (đồ thểthao cao cấp)

- Chống ăn mòn và oxi hóa

tốt

- Có khả năng dẫn nhiệt và

điện tốt

- Sản xuất các bộ phận ô tô(máy móc, vỏ động cơ)

- Vỏ điện tử, thiết bị tiêu

dùng

- Ngành hàng không (vỏmáy bay, chi tiết máy bay

- Lọc khí thải, bộ phậnđộng cơ trong môi trườngnhiệt độ cực cao

- Công nghiệp hóa dầu