Nghiên cứu công nghệ sla (stereolithography) chế tạo máy in 3d cho một số dung dịch nhựa

Luận văn “Nghiên cứu công nghệ SLA Stereolithography: chế tạo máy in 3D cho một số dung dịch nhựa” đã được thực hiện nhằm nghiên cứu ứng dụng trong công nghệ SLA vào việc

Trang 1

HUỲNH MINH ĐĂNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SLA (STEREOLITHOGRAPHY): CHẾ TẠO MÁY IN 3D CHO

MỘT SỐ DUNG DỊCH NHỰA

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã ngành: 60520101

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 01 năm 2019

Trang 2

Cán bộ nhận xét 1: ………

Cán bộ nhận xét 2: ………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu công nghệ SLA (Stereolithography): chế tạo máy in

3D cho một số dung dịch nhựa

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

• Nghiên cứu công nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp SLA

• Tính toán – thiết kế thử nghiệm máy in 3D theo công nghệ SLA

• Chế tạo máy in 3D

• Thử nghiệm máy in 3D

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/01/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS TS NGND Ngô Kiều Nhi

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2019

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và Chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và Chữ ký)

TRƯỞNG KHOA (Họ tên và Chữ ký)

Trang 4

Lời cảm ơn

Nội dung luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu công nghệ SLA (Stereolithography): chế tạo máy in 3D cho một số dung dịch nhựa” được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS TS NGND Ngô Kiều Nhi – bộ môn Cơ Kỹ Thuật, khoa Khoa học Ứng dụng, trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Nhân cơ hội này, em xin gởi lời cảm ơn và lời chúc sức khỏe chân thành đến cô, người đã truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như động lực giúp em vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Quang Thành – cán bộ tại phòng thí

nghiệm Cơ ứng dụng, đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp

đỡ trong quá trình thu thập tài liệu và quá trình thiết kế - chế tạo máy in

Xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô và bạn bè trong khoa Khoa học Ứng dụng, những người đã luôn ủng hộ và tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến Ba, Mẹ, các anh chị em trong gia đình đã ủng hộ, quan tâm và động viên em trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Xin chân thành cảm ơn Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01, năm 2019

Huỳnh Minh Đăng

Trang 5

Tóm tắt luận văn

Trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0, công nghệ in sản phẩm phức tạp ứng dụng công nghệ cao phát triển vô cùng nhanh chóng Cùng với sự phát triển mạnh

mẽ của tin học và công nghệ thông tin, công nghệ in 3D ngày càng trở nên đa dạng

và hoàn thiện Khởi nguồn từ thập kỷ 80 của thế kỷ 20, công nghệ in 3D ngày nay dần trở nên phổ biến và đa dạng hơn Các máy in 3D ngày càng được thiết kế, chế tạo “nhỏ hơn, gọn hơn” góp phần cải thiện về yếu tố không gian Bên cạnh đó, vật liệu in cũng là vấn đề vô cùng quan trọng trong công nghệ in 3D, yếu tố quyết định trực tiếp đến chất lượng và thời gian in

Tại Việt Nam, Công nghệ in 3D đã và đang thu hút rất nhiều sự quan tâm và ứng dụng vào quy trình sản xuất Với những thành tựu đã và đang đạt được của công nghệ

in 3D trên toàn thế giới, ngành công nghệ in 3D tại Việt Nam đang dần trở nên “nóng” hơn bao giờ hết Với xu hướng đó, dần dần bắt đầu xuất hiện các máy in 3D “Made

in Việt Nam” được áp dụng cho ngành công nghiệp in trong nước Các máy in này dần khẳng định vị trí nhờ vào chất lượng không thua kém hàng nước ngoài với chi phí đầu tư hết sức cạnh tranh

Luận văn “Nghiên cứu công nghệ SLA (Stereolithography): chế tạo máy in 3D cho một số dung dịch nhựa” đã được thực hiện nhằm nghiên cứu ứng dụng trong công nghệ SLA vào việc chế tạo máy in 3D sử dụng cho một số loại dung dịch nhựa Kết quả đã chế tạo thành công máy in 3D thử nghiệm sử dụng công nghệ SLA với màn hình LCD và tia cực tím có bước sóng từ 395 nm đến 400 nm

Tạo các sản phẩm phức tạp bằng công nghệ in 3D là một trong những đại diện đầu tiên trong nền tảng nội dung của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 Đồng thời với thiết bị này, luận văn cũng đã tiến hành các nghiên cứu sơ khởi về quy trình thử nghiệm máy in ứng dụng công nghệ SLA đối với một số loại dung dịch nhựa nhất định

Trang 6

Abstract

In the industrial revolution 4.0, the technology of printing complex products applying high technology developed very quickly Along with the strong development of information technology and information technology, 3D printing technology is becoming more and more diverse and perfect Starting in the 1980s of the 20th century, 3D printing technology has become more popular today 3D printers are increasingly designed, manufactured "smaller, more compact", contributing to improving the space element In addition, printing materials are also an important issue in 3D printing technology, a direct determinant of print quality and time

In Vietnam, 3D printing technology has attracted a lot of attention and application

in the production process With the achievements and achievements of 3D printing technology worldwide, 3D printing technology industry in Vietnam is gradually becoming more "hot" than ever With that trend, gradually began to appear 3D printer

"Made in Vietnam" applied to the domestic printing industry These printers gradually affirmed their position thanks to the quality not inferior to foreign products with very competitive investment costs

The thesis "Research on SLA (Stereolithography) technology: 3D printer production for a number of plastic solutions" was conducted to research and apply SLA technology to the production of 3D printers used for some types plastic solution The result was successfully tested 3D printer using SLA technology with LCD and ultraviolet rays with wavelength from 395 nm to 400nm

Creating complex products with 3D printing technology is one of the first representatives in the content foundation of the 4.0 industrial revolution Simultaneously with this device, the thesis also conducted preliminary studies on the process of testing SLA application printers for some types of plastic solutions

Trang 7

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Mọi sự giúp đỡ cho việc hoàn thành luận văn đã được ghi trong lời cảm ơn Các thông tin, tài liệu trình bày trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Huỳnh Minh Đăng

Trang 8

Mục lục

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt luận văn iv

Abstract v

Lời cam đoan vi

Mục lục vii

Danh mục các hình ảnh, hình vẽ x

Danh mục các bảng biểu xii

Mở đầu 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục tiêu nghiên cứu 2

Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học 2

Ý nghĩa thực tiễn 2

Chương 1 – Tổng quan về công nghệ in 3D theo phương pháp SLA 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.1 Công nghệ in 3D 3

1.1.2 Lịch sử ngành in 3D 4

1.1.3 Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và đời sống 5

1.1.4 Phân loại các công nghệ in 3D 9

Chương 2 – Công nghệ SLA 13

2.1 Giới thiệu 13

2.1.1 Ưu điểm, nhược điểm của công nghệ SLA 13

Trang 9

2.1.2 Phương pháp và công nghệ 14

2.1.3 Vật liệu sử dụng trong công nghệ SLA 15

2.1.4 Khả năng áp dụng công nghệ SLA vào công nghệ in 3D 15

2.1.5 Tình hình nghiên cứu và phát triển công nghệ SLA 15

2.2 Phân loại máy in 3D ứng dụng công nghệ SLA 18

2.2.1 Phương pháp hướng chuyển động từ trên xuống dưới (Top – Down) 20

2.2.2 Phương pháp hướng chuyển động từ dưới lên trên (Buttom – Up) 20

2.3 Nguồn năng lượng bức xạ UV 21

2.4 Quá trình hấp thụ năng lượng 23

2.5 Đường cong làm việc (Working curve) 25

2.6 Thời gian làm việc 26

2.7 Nhận xét 27

Chương 3 – Tính toán thiết kế chế tạo 29

3.1 Thông số máy in 29

3.1.1 Cơ cấu chuyển động 30

3.1.2 Nguồn phát bức xạ UV 34

3.1.3 Tính năng lượng bức xạ UV 36

3.1.4 Lựa chọn dung dịch resin 37

3.1.5 Lựa chọn độ phân giải màn hình LCD 38

3.2 Xây dựng mô hình 38

3.4 Chế tạo, lắp ráp 40

3.4.1 Phần khung cơ khí 40

3.4.2 Phần điều khiển 41

3.5 Nhận xét 43

Trang 10

Chương 4 – Vận hành, Thử nghiệm 44

4.1 Mục tiêu 44

4.2 Quy trình vận hành máy in 44

4.3 Thử nghiệm 46

4.3.1 Thử nghiệm in đợt 1 48

4.3.2 Thử nghiện in đợt 2 49

4.3.3 Thử nghiệm in đợt 3 50

4.4 Nhận xét 53

Kết luận và kiến nghị 55

Kết luận 55

Kiến nghị 55

Tham khảo 57

PHỤ LỤC 1 – Linh kiện lắp ráp 1

PHỤ LỤC 2 - Hướng dẫn sử dụng máy in 2

Trang 11

Danh mục các hình ảnh, hình vẽ

Chương 1

Hình 1 1 Quá trình tạo vật thể 3D từ mô hình CAD 3D bằng công nghệ in 3D 3

Hình 1 2 Máy in 3D đầu tiên được phát minh bởi Chuck Hull 4

Hình 1 3 Quá trình phát triển công nghệ in 3D 5

Hình 1 4 Ứng dụng in 3D trong sản xuất ôtô 6

Hình 1 5 Một số bộ phận của cở thể người được in 3D 7

Hình 1 6 Mô hình kiến trúc ứng dụng công nghệ in 3D 7

Hình 1 7 Khoang động cơ tàu vũ trụ được in 3D bằng inoxel 8

Hình 1 8 Ứng dụng trong các vật dụng trong gia đình 9

Chương 2 Hình 2 1 Phương pháp in Top – down và Buttom – up 19

Hình 2 2 máy in 3D SLA sử dụng phương pháp in Top - Down 20

Hình 2 3 Máy in 3D DLP theo phương pháp Buttom – up .21

Hình 2 4 Hệ tọa độ Gauss 22

Hình 2 5 Đường cong làm việc (Working curve) 25

Hình 2 6 Mối liên hệ giữa đường cong làm việc và cường độ tiếp xúc 26

Hình 2 7 Diện tích và thời gian tạo mẫu 27

Chương 3 Hình 3 1 Cấu tạo máy in 3D UV LCD 29

Hình 3 2 Cơ cấu nâng – hạ chi tiết in 30

Hình 3 3 Mô hình tính lực thanh trượt trong cơ cấu bàn nâng 33

Hình 3 4 Các thành phần lực trên thanh trượt 34

Trang 12

Hình 3 5 Đèn LED phát bức xạ từ 395 – 400 nm 34

Hình 3 6 Hệ thống nguồn tia UV gồm 40 đèn LED với bước sóng 395 – 400 nm 35 Hình 3 7 Hệ thống đèn LED UV và nhôm tản nhiệt 35

Hình 3 8 Đường cong làm việc của một loại resin 36

Hình 3 9 Đường cong làm việc của FormLabs Tough resin 37

Hình 3 10 Đường cong làm việc của resin CPS SM472 38

Hình 3 11 Mô hình máy in 3D SLA trên phần mềm Solidworks 39

Hình 3 12 Mô hình máy in hoàn chỉnh 39

Hình 3 13 Khung máy in bằng nhôm định hình 40

Hình 3 14 Sơ đồ kết nối các bộ phận điều khiển trong máy in 41

Hình 3 15 Mạch raspberry (trái) và mạch arduino tích hợp (phải) 42

Hình 3 16 Các chi tiết được lắp vào các vị trí cố định 42

Chương 4 Hình 4 1 Một số dụng cụ cần thiết khi sử dụng máy in 3D UV LCD 45

Hình 4 2 Dung dịch resin HEX polymer dùng in thử nghiệm 46

Hình 4 3 Chi tiết nhẫn 3D dùng in thử nghiệm .46

Hình 4 4 Mô hình chi tiết in thử nghiệm trong phần mềm cắt lớp 47

Hình 4 5 Đường cong làm việc của dung dịch resin HEX Polymer 47

Hình 4 6 Chi tiết in thử nghiệm đợt thứ 1 48

Hình 4 9 Chi tiết in hoàn thiện bằng máy in UV LCD 51

Hình 4 10 Chi tiết in hoàn thiện với dung dịch đã qua sử dụng 52

Trang 13

Danh mục các bảng biểu Chương 3

Bảng 3 1 Thông số sơ bộ máy in 30

Bảng 3 2 Thông số một số loại resin 37

Chương 4 Bảng 4 1 Đánh giá chi tiết in đợt thử 1 48

Bảng 4 2 Đánh giá chi tiết in đợt thứ 2 49

Bảng 4 3 Đánh giá chi tiết in thử đợt 3 50

Bảng 4 4 Một số lỗi khác phát sinh trong quá trình vận hành máy in 53

Trang 14

Mở đầu Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời điểm khởi đầu của cách mạng công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công nghệ in 3D ngày càng được nâng cao yêu cầu chất lượng lẫn độ chính xác về hình dáng, kích thước Bên cạnh đó, thời gian và chi phí in luôn là yếu tố được đặt lên hàng đầu cho các nhà sản xuất

Khởi nguồn từ thập kỷ 80 của thế kỷ 20, công nghệ in 3D ngày nay dần trở nên phổ biến và đa dạng hơn Từ buổi đầu sử dụng hệ thống máy móc lớn để chế tạo ra các sản phẩm thì ngày nay, các máy in 3D ngày càng trở nên “nhỏ hơn, gọn hơn” góp phần cải thiện về yếu tố không gian Bên cạnh đó, vật liệu in cũng là vấn đề vô cùng quan trọng trong công nghệ in 3D, yếu tố quyết định trực tiếp đến chất lượng và thời gian in

Cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ máy tính, ngành in 3D cũng

có những bước tiến quan trọng trong việc tối ưu công nghệ

Tại Việt Nam, Công nghệ in 3D đã và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm, ứng dụng vào quy trình sản xuất Với những thành tựu đã và đang đạt được của công nghệ in 3D trên toàn thế giới, ngành công nghệ in 3D tại Việt Nam đang dần trở nên

“nóng” hơn bao giờ hết Với xu hướng đó, dần dần bắt đầu xuất hiện các máy in 3D

“Made in Việt Nam” được áp dụng cho các ngành công nghiệp trong nước Các máy

in này dần khẳng định vị trí nhờ vào chất lượng không thua kém hàng nước ngoài với chi phí đầu tư hết sức cạnh tranh

Chính vì những lý do trên, luận văn “Nghiên cứu công nghệ SLA (Stereolithography): chế tạo máy in 3D cho một số dung dịch nhựa” được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS TS NGND Ngô Kiều Nhi và sự hỗ trợ của các cộng sự tại phòng thí nghiệm cơ ứng dụng, trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

Trang 15

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng công nghệ SLA bao gồm các nhiệm vụ sau:

1 Nghiên cứu công nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp SLA

2 Tính toán – thiết kế máy in 3D theo công nghệ SLA

3 Chế tạo máy in 3D thử nghiệm

4 Thử nghiệm vận hành máy mô hình chế tạo

Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ in 3D theo phương pháp SLA

Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ in 3D SLA sử dụng màn hình LCD và tia UV có bước sóng từ 395 nm đến 400 nm với vật liệu là dung dịch nhựa resin

Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu cung cấp nhiều thông tin quan trọng trong việc nghiên cứu công nghệ in 3D sử dụng công nghệ SLA vận hành trên màn hình LCD và tia UV có bước sóng từ 395 nm đến 400 nm

Kết quả nghiên cứu đưa ra cơ sở dữ liệu quan trọng trong việc hiện thực hóa công nghệ in 3D theo phương pháp SLA

Trang 16

Chương 1 – Tổng quan về công nghệ in 3D theo phương pháp

SLA

Trong vài thập niên gần đây, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ, đặc biệt là máy tính và việc quản trị thông tin, nhiều ứng dụng đã được áp dụng vào môi trường sản xuất thực tiễn Trong kỹ thuật hiện đại, các nhà thiết kế, kỹ sư và các kỹ thuật viên đều sử dụng nhiều sự trợ giúp từ máy tính, một công cụ đắc lực trong công việc hằng ngày, trong đó có thể kể đến như:

• Thiết kế dưới sự hỗ trợ của máy tính (CAD)

• Sản xuất dưới dự hỗ trợ của máy tính (CAM)

• Kỹ thuật dưới sự hỗ trợ của máy tính (CAE)

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Công nghệ in 3D

In 3D là một quá trình tạo ra một đối tượng vật lý từ thiết kế kỹ thuật số Có nhiều công nghệ và vật liệu in 3D khác nhau mà chúng ta có thể in, nhưng tất cả đều dựa trên cùng một nguyên tắc: một mô hình số được biến thành một vật thể vật lý ba chiều bằng cách thêm lớp vật liệu theo lớp

Hình 1 1 Quá trình tạo vật thể 3D từ mô hình CAD 3D bằng công nghệ in 3D

Trang 17

Mỗi bản in 3D bắt đầu bằng một tệp thiết kế 3D kỹ thuật số - giống như bản vẽ thiết kế cho một đối tượng vật lý Tệp thiết kế này được cắt thành các lớp mỏng và sau đó được gửi tới máy in 3D Việc in có thể mất hàng giờ để hoàn thành tùy thuộc vào kích thước mô hình và thường qua quá trình xử lý sau khi in để đạt được kết quả mong muốn Thông qua quá trình in khác nhau sẽ có các công nghệ in 3D khác nhau: phương pháp in lắng đọng (FDM), phương pháp in SLA (Stereolithography), công nghệ in SLS (Selective Laser Sintering), công nghệ in LOM, Công nghệ in EBM (Electronic Beam Melting), công nghệ in SLM (Selective laser melting),…Cùng với sự phát triển ngày càng hiện đại của các công nghệ in 3D thì các loại vật liệu phục vụ cho ngành in 3D cũng xuất hiện ngày càng đa dạng trên thị trường hàng năm từ nhựa đến cao su đến sa thạch (đá cát), kim loại hay hợp kim

1.1.2 Lịch sử ngành in 3D

Mặc dù việc in 3D thường được coi là một khái niệm “mới”, nó đã thực sự được sử dụng trong hơn 30 năm qua từ thập niên 80 của thế kỷ XIX

Hình 1 2 Máy in 3D đầu tiên được phát minh bởi Chuck Hull

Chuck Hull đã phát minh ra quy trình in 3D đầu tiên được gọi là

“stereolithography” vào năm 1983 Đây là công nghệ tạo vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser Sau đó, ông Hull thành lập công ty 3DSystems, một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực sản xuất máy in 3D Từ

1986 đến 2007, trong 20 năm đầu tiên, công nghệ này mới chỉ có các bước đi nhỏ,

Trang 18

chậm, đây được gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh Tuy nhiên đến năm 2009, đã có một sự biến động lớn trên thị trường khi bằng sáng chế về FDM (Fuse Deposition Modelling) vốn được sở hữu bởi hãng Stratasys bắt đầu hết thời hạn công nghệ này đã thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia Giá thành sản xuất giảm và FDM trở thành một trong những chìa khóa công nghệ cơ bản của các máy sản xuất đắp dần được tiêu thụ trên thị trường hiện nay Ngoài ra, đến năm

2014, các bằng sáng chế cho công nghệ Nung kết sử dụng laser (Selective Laser Sintering-SLS) cũng bắt đầu hết hạn, tạo cơ hội cho những sáng chế mới phát triển hơn nữa ngành sản xuất đắp dần, mở đường cho một thời kỳ phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này trong tương lai rất gần

Hình 1 3 Quá trình phát triển công nghệ in 3D

1.1.3 Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và đời sống

Công nghệ in 3D được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ sản xuất đến đời sống Sau đây là một số lĩnh vực được ứng dụng rộng rải công nghệ in 3D:

a Công nghiệp sản xuất chế tạo

In 3D mở ra tiềm năng về lợi thế chi phí sản xuất, cải tiến quy trình và cả sản phẩm cho các nhà cung cấp trong một số trường hợp cụ thể Ngoài mục đích thử nghiệm, thiết kế, tạo mẫu và sản xuất một số bộ phận, công cụ lắp ráp đặc biệt, ngành công nghiệp ô tô đã sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất ra những chiếc xe hoàn

Trang 19

chỉnh Trên thực tế, một chiếc xe tên là Urbee đã được sản xuất toàn bộ bằng công nghệ in 3D Nhà sản xuất chiếc xe này đã tập trung vào việc tăng tối đa số lượng các bộ phận xe được in 3D với mục tiêu chính là tiết kiệm nhiên liệu

Hình 1 4 Ứng dụng in 3D trong sản xuất ôtô

b Y tế - Chăm sóc sức khỏe

Công nghệ in 3D rất hữu ích trong sản xuất các mô hình sinh học (các mô hình bộ phận con người như xương, răng, tai giả ) Trong ứng dụng này, mô hình điện tử của bộ phận cơ thể con người được dựng bởi các hình ảnh ba chiều hoặc một máy quét 3D Sau đó, mô hình sinh học được tạo ra từng lớp từng lớp nhờ vào công nghệ sản xuất đắp dần Trong ngành giải phẫu, mỗi bệnh nhân là một cá thể riêng biệt và duy nhất, mô hình sinh học 3D cho phép bác sĩ thực hiện phẫu thuật thuận lợi hơn do có được sự hiểu biết sâu hơn về cơ thể bệnh nhân và các chẩn đoán được chính xác hơn Nhờ đó, kế hoạch phẫu thuật được chi tiết hơn, các thử nghiệm, diễn tập phẫu thuật hay hướng dẫn trong ca mổ được đảm bảo về độ chính xác và chất lượng Công nghệ in 3D còn hỗ trợ các thử nghiệm phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sĩ

Trang 20

Hình 1 5 Một số bộ phận của cở thể người được in 3D

c Kiến trúc và xây dựng

Dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng các máy in 3D khổng lồ Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tông và cát Phương pháp in 3D trong xây dựng có thể mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt

là trong chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động môi trường

Hình 1 6 Mô hình kiến trúc ứng dụng công nghệ in 3D

Trang 21

d Công nghiệp hàng không vũ trụ

Công ty thương mại không gian của Elon Musk SpaceX đã sử dụng công nghệ

in 3D để sản xuất khoang động cơ cho động cơ SuperDraco; động cơ sẽ được lắp đặt trên tàu vũ trụ Dragon của công ty Quyết định này cắt giảm thời gian từ thiết kế đến lần thử nghiệm phóng đầu tiên chỉ trong ba tháng Các khoang động cơ được in bằng Inoxel, một hợp kim siêu hiệu năng cao và đã được thử nghiệm thành công hàng chục lần

Hình 1 7 Khoang động cơ tàu vũ trụ được in 3D bằng inoxel

e Trong đời sống gia đình

Với chi phí thấp và sự tiện dụng, máy in 3D sẽ dần trở thành một thiết bị trong gia đình bạn Máy in 3D để bàn cho phép bạn sản xuất bất cứ thứ gì bạn muốn ngay trong căn nhà riêng của mình, tất nhiên là với kích thước phù hợp với máy in và các nguyên liệu có thể có Các vật dụng yêu thích như đồ chơi, đồ dùng và đồ vật trang trí là những ứng dụng phổ biến nhất Nhờ máy in 3D để bàn, mỗi người có thể tự thiết

kế và sản xuất vật dụng theo yêu cầu riêng biệt, làm nên cá tính của bản thân Công

Trang 22

nghệ này cũng góp phần làm tăng khả năng và cơ hội sáng tạo của mỗi người Và hơn thế, in 3D tại gia đình làm giảm bớt các khó khăn trong chuỗi cung ứng truyền thống

Hình 1 8 Ứng dụng trong các vật dụng trong gia đình

1.1.4 Phân loại các công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D về cơ bản, đều có điểm chung là việc sản xuất được thực hiện theo từng lớp, từng lớp một, bồi đắp dần để tạo ra sản phẩm; ngược với các phương pháp sản xuất truyền thống sẽ cắt gọt trên nguyên liệu có sẵn, hoặc các quá trình đúc khuôn Tuy nhiên, mỗi công nghệ in cũng có những sự khác biệt

a Công nghệ FDM

• Nguyên lý hoạt động: FDM ép đùn nhựa nhiệt dẻo nóng cháy qua một vòi phun từng lớp từng lớp một để tạo thành các chi tiết Công nghệ FDM có thể sử dụng nhiều đầu phun cho vật liệu của sản phẩm và vật liệu hỗ trợ

• Vật liệu: Vật liệu FDM có thể mờ đục tới bán trong suốt với nhiều màu sắc bao gồm xanh, đỏ, vàng, trắng, đen và màu nâu vàng, Nhựa nhiệt dẻo của FDM bao

Trang 23

gồm các loại nhựa nhiệt dẻo có khả năng tương thích sinh học cao và đạt xếp hạng FAR, và nhiều loại vật liệu để tạo khuôn cho ép nhựa như ABS và ASA

• Ứng dụng: FDM là công nghệ phổ biến nhất của công nghệ in 3D và thường được sử dụng để tạo mẫu nhanh trong hầu hết các ngành; ngoài ra, công nghệ FDM còn được dùng để chế tạo các thành phần nội thất của máy bay và đường ống dẫn, các nguyên mẫu hoặc sản phẩm trong y tế, hàng tiêu dùng, trong công nghiệp và giao thông

b Công nghệ PolyJet

• Nguyên lý hoạt động: Hãy tưởng tượng công nghệ PolyJet như máy in giấy 2-D ở nhà của bạn Máy in màu 2-D của bạn sẽ quét các giọt nhỏ màu nhỏ xíu lên giấy của bạn, tạo thành chữ và hình ảnh Một cách gần như tương tự, PolyJet sử dụng vòi phun in để phun đè các giọt chất dẻo với độ dày 16 micron để tạo nên chi tiết sản phẩm 3 chiều Qua mỗi lớp phun vật liệu, đồng thời tia UV sẽ xử lý làm cứng lớp vật liệu ấy chồng đè lên lớp dưới

• Vật liệu: Vật liệu in PolyJet giống như nhựa photopolymer Photopolymers hoặc vật liệu photocurable có nhiều loại khác nhau dựa vào thành phần, từ co dãn đến cứng rắn, trong suốt đến mờ đục PolyJet là một trong hai công nghệ in 3D có thể

in màu và đó là công nghệ duy nhất có khả năng in nhiều vật liệu đồng thời trong một lần in cung cấp sản phẩm từ cứng đến co dãn chỉ trong một lần in

• Ứng dụng: Bởi vì PolyJet sử dụng năng lượng tia cực tím để xử lý các chất lỏng, các bộ phận có thể biến dạng và thay đổi màu sắc khi tiếp xúc kéo dài với nhiệt

và ánh sáng, điều này có nghĩa là các bộ phận của PolyJet không được sử dụng cho các ứng dụng kiểm tra cơ tính, cần dùng lực nhiều Các ứng dụng lý tưởng của PolyJet bao gồm: Các mẫu dành cho tạo khuôn lạnh (Đúc cát) hoặc có nhiệt độ thấp; mô hình hiển thị; nguyên mẫu giống thực, và mô hình chức năng, kiểm tra tính vừa vặn, cầm nắm…

Trang 24

• Vật liệu: Sử dụng nhựa nhạy sáng (photopolymer) để tạo ra các chi tiết cứng, đục

và trong suốt với nhiều màu sắc khác nhau, có thể biến dạng hoặc thay đổi màu sắc khi tiếp xúc với ánh sáng và nhiệt độ theo thời gian, không lý tưởng cho các chi tiết chịu tác động lực lớn

• Ứng dụng: Công nghệ SLA được biết đến nhiều nhất với khả năng để xây dựng các thành phần rỗng bên trong, với vỏ ngoài dày và phần bên trong có hình tổ ong Ứng dụng phổ biến nhất với các chi tiết có hình trụ rỗng sử dụng phương pháp Stereolithography là các mẫu đúc trong đúc mẫu chảy Các ứng dụng phổ biến khác của SLA gồm có: các mô hình giải trí lớn, nguyên mẫu và mẫu chủ cho khuôn lạnh hoặc khuôn dùng nhiệt độ thấp

d Công nghệ SLS

• Nguyên lý hoạt động: Sintering Laser đòi hỏi một buồng in kèm theo để sưởi ấm

và thêu dệt chi tiết từng lớp từng lớp một Sintering Laser bắt đầu bằng cách làm ấm khoang chứa bột ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của bột nhựa Một tia laser CO2 chạm và đốt cháy bột tại điểm nóng chảy theo các mẫu thiết kế được xác định, do đó đưa các khu vực cụ thể được đốt nóng thành thể rắn, tạo thành sản phẩm, từng lớp một Sintering Laser là quá trình in 3D duy nhất hoàn toàn không cần có cấu trúc hỗ trợ Bột không được làm cứng trong buồng in đủ dày để hỗ trợ cho sản phẩm khi nó được làm ra

• Vật liệu: Phương thức Laser Sintering sử dụng Nylon 11 và 12, nguyên liệu thô

Trang 25

với FAR Nylon được xử lý với Laser Sintering là một hỗn hợp gồm một hoặc hai vật liệu, bao gồm thủy tinh, cacbon hoặc nhôm Nylon đã qua xử lý có thể tăng độ cứng, sức mạnh, độ chịu nhiệt hoặc bề mặt nhẵn hoàn thiện

• Ứng dụng: Laser Sintering là một trong những công nghệ nhựa 3D được sử dụng rộng rãi nhất cho ngành hàng không vũ trụ và các ứng dụng tương đương khắc nghiệt và nhiệt độ cao Nó cũng được sử dụng trong ngành ô tô, y tế, hàng tiêu dùng, nghệ thuật và kiến trúc cho hàng ngàn sản phẩm

Trang 26

Chương 2 – Công nghệ SLA 2.1 Giới thiệu

Với sự phát triển của công nghệ in 3D, việc “hiện thực hóa” các sản phẩm/mô hình thiết kế trên máy tính trở nên dễ dàng và chính các hơn bao giờ hết Stereolithography (SLA) là một phương pháp tạo ra vật thể 3 chiều từ 1 sản phẩm thiết kế trên máy tính bằng cách tạo ra từng lớp thông qua 1 bề mặt dung dịch “nhạy sáng” (photopolymer) SLA cho phép việc hiện thực hóa 1 sản phẩm thiết kế trên máy tính, tạo ra ý tưởng cho sản suất và dạng thể hiện các mô hình, vật thể nhằm mục đích so sánh và nghiên cứu khả thi trong quá trình phát triển của bất kỳ sản phẩm chế tạo

SLA được giới thiệu lần đầu vào thập niên 70 bởi tiến sĩ H Kodama với kỹ thuật “in từng lớp” sử dụng ánh sáng của tia cực tím chiếu qua bề mặt chứa dung dịch

“nhạy sáng” Tuy nhiên, mãi đến thập niên 80, SLA mới được nghiên cứu và phát triển bởi Chuck Hull Máy in 3D sử dụng công nghệ SLA được ra đời vào năm 1986 tại Mỹ

Tương tự các công nghệ in khác, SLA sử dụng các tập tin từ các phần mềm thiết

kế trên máy tính (CAD) với các điều kiện nhất định về kích thước và hình thể để chế tạo ra các mẫu vật thể 3 chiều Các máy in 3D-SLA tạo ra sản phẩm bằng cách tạo ra vật thể bằng từng lớp cực mỏng, di chuyển tuyến tính theo phương ngang và phương thẳng đứng

2.1.1 Ưu điểm, nhược điểm của công nghệ SLA

a Ưu điểm

• Độ chính xác cao: Như đề cập, SLA cho phép tạo ra vật thể có hình thể phức tạp cao với độ cao do quá trình tạo ra vật thể bằng phương pháp tạo ra các lớp cực mỏng lên đến 0,05 hoặc 0,02mm Bên cạnh đó, SLA sử dụng tia laser để tạo ra nguồn năng lượng bức xạ, do đó, hình dạng vật thể tạo ra từ công nghệ

Trang 27

SLA đảm bảo độ tin cậy và tính chính xác cực cao với hình dạng vô cùng phức tạp

• Chất lượng sản phẩm: SLA sử dụng tia laser chiếu qua bề mặt chứa dung dịch polymer để tạo ra vật thể 3 chiều Do dó, chất lượng bề mặt (độ nhẵn) của các vật thể được tạo ra từ công nghệ SLA sẽ đạt chất lượng cao

• Kích thước vật thể: SLA có thể tạo ra các vật thể nhỏ với độ chính xác cao cũng như các vật thể có kích thước lớn lên đến 2m

• Chi phí và thời gian thực hiện: Bên cạnh các yếu tố về chất lượng sản phẩm, SLA còn giúp giảm thiểu thời gian tạo ra vật thể với 1 chi phí hợp lý nhằm giảm giá thành tạo ra sản phẩm

b Nhược điểm

• Bên cạnh các ưu điểm, SLA vẫn còn tồn tại những vấn đề cần được lưu ý trong quá trình tạo ra vật thể 3 chiều Do sử dụng cùng loại vật liệu trong quá trình tạo ra vật thể (nhựa polymer), sự liên kết giữa các phần sẽ dễ dàng bị bẻ gãy

• Ngoài ra, chi phí đầu tư cho thiết bị in sử dụng công nghệ SLA cao hơn so với

cá thiết bị in 3D khác, điều này dẫn đến nhiều vấn đề liên quan đến chi phí đầu tư trong giai đoạn đầu

• Giới hạn về khả năng tạo ra nhiều bản sao do việc hạn chế về thời gian cần thiết để tạo ra sản phẩm là vấn đề cũng cần được lưu ý trong quá trình áp dụng công nghệ SLA

2.1.2 Phương pháp và công nghệ

Trong quá trình ra vật thể, các vật thể 3D được tạo ra từ các dung dịch polymer thông qua các phần mềm thiết kế trên máy tính Tia bức xạ từ nguồn laser được sử dụng để chiếu qua bề mặt (màn hình LED) chứa dung dịch polymer Dung dịch polymer nhạy sáng sẽ hấp thu năng lượng từ chùm tia laser, và dần chuyển trạng thái từ lỏng sang rắn Kích thước và tọa độ của vật thể được xác định từ các bản vẽ CAD một cách chính xác Tia laser sẽ di chuyển trên bề mặt dung dịch với tốc độ không đổi nhằm tạo ra các lớp có bề dày cực mỏng và đồng đều Khoảng cách giữa bề mặt

Trang 28

dung dịch và nguồn laser sẽ được dịch chuyển theo phương thẳng đứng nhằm tạo ra các vật thể 3 chiều

2.1.3 Vật liệu sử dụng trong công nghệ SLA

SLA tạo ra vật thể 3 chiều bằng cách sử dụng năng lượng bức xạ chiếu qua bề mặt chứa dung dịch “nhạy sáng” Các dung dịch này thường là các dung dịch vinyl hay epoxy hoặc các dung dịch khác có khả năng tạo ra các lớp có bề dày từ 0,016nm

Nhựa epoxy là dung dịch được sử dụng phổ biến trong quá trình in 3D sử dụng công nghệ SLA Dung dịch nhựa tổng hợp này có thành phần cách điện tốt và độ dẫn nhiệt cao giúp tăng khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ từ tia laser Điều này cũng giúp cho các sản phẩm in sử dụng SLA có độ chính xác cao với nhiều hình dạng phức tạp

2.1.4 Khả năng áp dụng công nghệ SLA vào công nghệ in 3D

Với các vấn đề nêu trên, SLA vẫn đang dẫn đầu xu thế trong công nghệ tạo ra các vật thể 3 chiều Do đó, ngoài các ứng dụng truyền thống, ngày nay, SLA còn được áp dụng rộng rãi vào các ngành sản xuất, chế tác đòi hỏi độ chính xác cao như:

• Kiểm tra, kiểm định mẫu thực tế;

• Các phân tích về thăm dò thị trường, thị hiếu khách hàng cho 1 sản phẩm mới;

• Các kiểm tra về Nhân trắc học (ergonomic test)

2.1.5 Tình hình nghiên cứu và phát triển công nghệ SLA

In 3D hay công nghệ sản xuất đắp dần, là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều [9] Trong in 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể có hình dạng bất kỳ Máy in 3D được xem là 1 dạng robot công nghiệp, chúng sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, như in Lito lập thể (STL) hoặc mô hình hoá lắng

Trang 29

đọng nóng chảy (FDM) Do đó, in 3D được xây dựng dựa trên mô hình thiết kế có sự

hỗ trợ của máy tính (CAD)

Năm 2014, máy in 3D khổ lớn đã được phát triển cho công nghiệp, giáo dục, và sử dụng bởi SeeMeCNC [10] Ngày nay, các máy in có khả năng làm cho một đối tượng với đường kính lên đến 1.2 m và cao đến 3.0 m Bên cạnh đó, sản phẩm in 3D cũng sử dụng những viên nhựa làm nguyên liệu thay vì các sợi nhựa điển hình được sử dụng trong các máy in 3D khác

Với những ưu điểm siêu việt về đa dạng về sản phẩm, in 3D được ứng dụng nghiên cứu rộng rãi cho nhiều ngành trong các lĩnh vực khác nhau Vào năm 2013, công nghệ in 3D đã được thử nghiệm vào thiết kế thời trang với việc in bikini 3D, giày dép, và trang phục [11], [12] Dần về sau, hãng Nike đã sử dụng in 3D để tạo mẫu và sản xuất các giày bóng đá In 3D đã đến điểm mà các công ty đang in tiêu dùng lớp kính với nhu cầu tùy chỉnh phù hợp và phong cách (mặc dù họ không thể in các ống kính) Theo yêu cầu tùy biến của kính là có thể với mẫu nhanh

Ngày nay, in 3D chủ yếu được sử dụng trong kỹ thuật để tạo ra các nguyên mẫu

kỹ thuật [3] Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong vật liệu in hiện đã cho phép máy

in 3D tạo ra các vật thể tương đương với các mặt hàng được sản xuất theo truyền thống Trái ngược với máy in thông thường, in 3D có khả năng cho phép tùy biến hàng loạt trên quy mô lớn và có liên quan đến y học bao gồm nhãn khoa In 3D đã được chứng minh là khả thi trong một số ứng dụng y tế bao gồm sản xuất kính mắt, thiết bị phục hình tùy chỉnh và cấy ghép nha khoa Trong bài đánh giá này, chúng tôi thảo luận về tiềm năng in 3D để cách mạng hóa sản xuất giống như báo in đã cách mạng hóa việc in thông thường Các ứng dụng và giới hạn của in 3D sẽ được thảo luận; quy trình sản xuất được thể hiện bằng cách sản xuất một bộ khung kính mắt từ bản thiết kế 3D

Trong y học, công nghệ in 3D dựa trên dữ liệu hình ảnh đã được áp dụng cho việc tạo ra các vật thể ba chiều nhằm mục tiêu áp dụng cho kế hoạch phẫu thuật, chân tay giả Bằng công nghệ in 3D, tác giả F Rengier và các cộng sự [1] đã sử dụng các

Trang 30

đối tượng 3D để khắc phục các hạn chế của hình ảnh 3D trên màn hình phẳng để từ đó có thể đưa ra các kế hoạch chữa trị, phẫu thuật chính xác Kết quả cho thấy, việc tương tác bác sĩ lâm sàng, đào tạo phẫu thuật, nghiên cứu y tế và giáo dục có thể cần các đối tượng 3D thực tế để khắc phục được những hạn chế của ảnh 3D

Bên cạnh các công nghệ in 3D truyền thống, nhóm tác giả Ke Sun [2] đã nghiên cứu công nghệ in 3D sử dụng cấu trúc vi điện tử tích hợp Li-Ion Theo nghiên cứu này, cấu trúc vi điện tử 3 chiều (3D IMA) được chế tạo bằng cách in các loại mực dựa trên các Oxit Lithium tập trung Các pin vi mô bao gồm các cấu trúc cực âm và cực dương tỷ lệ khung hình cao

Được biết đến khả năng xây dựng các thành phần rỗng bên trong, với vỏ ngoài dày và phần bên trong có hình tổ ong, in stereolithography (SLA) được xem là một trong những giải pháp hiệu quả cho việc tạo những vật thể 3D rỗng bên trong với hình dạng và màu sắc đa dạng Máy in SLA tạo ra các vật thể rắn bằng cách sử dụng chùm tia laser để tạo ra các đơn phân photopolymerise Trong nghiên cứu của mình, JieWang và cộng sự [4] đã sử dụng polyethylen glycol diacryit (PEGDA) làm monome và diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) oxit phosphine được sử dụng làm chất khởi tạo ảnh Axit 4-aminosalicylic (4-ASA) và paracetamol (acetaminophen) được chọn làm thuốc mẫu Kết quả cho thấy, sản phẩm đã in thành công và các công thức với các đặc tính khác nhau được chế tạo bằng cách thêm polyethylen glycol 300 (PEG 300) vào dung dịch in Việc tải paracetamol và 4-ASA trong máy tính bảng in lần lượt là 5,69% và 5,40% Trong một mô phỏng hòa tan động thực tế của đường tiêu hóa, sự giải phóng thuốc từ các viên thuốc phụ thuộc vào thành phần của các công thức, nhưng độc lập với pH hòa tan Trong tương lai, công nghệ này có thể trở thành một công nghệ sản xuất để xây dựng các dạng thuốc uống, cho sản xuất công nghiệp hoặc thậm chí cho liều cá nhân hóa

Bên cạnh đó, trong nghiên cứu của mình, Tyler Finnes [6] đã phân tích nguyên lý, các ưu nhược điểm của công nghệ SLA và FDM

Trang 31

Ngoài ra, SLA cũng đã được nghiên cứu cho các công nghệ in 4D để tạo ra các sản phẩm có khả năng cố định hình dạng cao, phục hồi hình dạng và tuổi thọ chu kỳ bộ nhớ được tăng cao Theo đó, một photopolyme có thể in bằng thiết bị lập thể (SLA) sử dụng mạng tBA-co-DEGDA dựa trên cơ chế chuyển pha pha thành phần kép để xây dựng các phần của hình học phức tạp và thể hiện hành vi bộ nhớ hình dạng Vật liệu này có thể đạt được tốc độ đóng rắn cao và in chính xác rất mong muốn cho quy trình SLA Kết quả cho thấy, độ bền cơ học của các bộ phận được in tương đương với SMPs công nghiệp và kiểm tra bộ nhớ hình dạng cho thấy hiệu suất bộ nhớ hình dạng tốt hơn với độ bền cao hơn 20 chu kỳ bộ nhớ hình dạng so với các bộ phận in 4D hiện tại Công việc này được cho là cho phép sử dụng công nghệ SLA để chế tạo các thành phần đáp ứng có hiệu suất cao, điều này cũng thúc đẩy đáng kể công nghệ

in 3D cho các ứng dụng mạnh mẽ hơn [7]

Với các ưu điểm về mặt hình dạng và độ cơ học, in 3D được xem là xu hướng thời đại của thời kỳ cách mạng 4.0 Lịch sử và ứng dụng của in 3D được TS Đoàn Thanh Lâm thể hiện trong các bài nghiên cứu của mình Hiện tại, trong nước có rất nhiều nhà nghiên cứu bắt đầu nghiên cứu các ứng dụng và công nghệ của in 3D, nhiều hội thảo khoa học đã được tổ chức nhằm giới thiệu Công nghệ in 3D và vai trò của công nghệ in 3D trong ngành sản xuất chế tạo ở thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay để từ đó đề xuất giải pháp phát triển công nghệ in 3D của Việt Nam…

2.2 Phân loại máy in 3D ứng dụng công nghệ SLA

Dựa vào hướng chuyển động của chi tiết in trong quá trình vận hành, máy in SLA được phân loại theo hướng từ dưới lên trên (bottom – up) và hướng từ trên xuống dưới (top – down)

Bên cạnh đó, máy in 3D ứng dụng công nghệ SLA cũng được phân loại dựa trên nguồn phát bức xạ hồng ngoại như: máy in SLA sử dụng tia laser, máy in DLP sử dụng máy chiếu DLP, máy in UV LCD sử dụng tia UV mà phổ biến là đèn LED

UV và màn hình LCD

Trang 32

Hình 2 1 Phương pháp in Top – down và Bottom – up

Hình 2.1 mô tả 2 phương pháp in phổ biến hiện nay, mỗi phương pháp có các ưu điểm và nhược điểm riêng được tóm tắt trong bảng dưới đây

Bảng 2 1 So sánh phương pháp top – down và bottom – up

1 Hướng di chuyển trục Z Từ trên xuống Từ dưới lên

2 Lượng resin Nhiều hơn lượng resin

cần để tạo chi tiết Vừa đủ để tạo chi tiết

3 Support cho chi tiết in Không cần support Cần support

Trang 33

2.2.1 Phương pháp hướng chuyển động từ trên xuống dưới (Top – Down)

Chi tiết nằm trên bàn in tại mặt của bể chứa dung dịch resin, độ sâu của bể chứa dung dịch sẽ giới hạn chiều cao của chi tiết in Phương pháp này dùng nguồn năng lượng bức xạ UV chiếu từ trên xuống mặt thoáng dung dịch resin Do đó, cần một lượng lớn dung dịch trong quá trình vận hành và đây là điểm hạn chế của phương pháp này, do nguồn năng lượng bức xạ tiếp xúc trực tiếp lên bề mặt dung dịch nên có một lượng lớn dung dịch dư thừa sẽ bị quang hóa Bên cạnh đó, máy in sử dụng bàn

in từ trên xuống không cần thêm các kết cấu hỗ trợ (support) vì sau khi hoàn thành mỗi lớp in, phần chi tiết đã được in được giữ vững trong dung dịch nhựa Các máy in sử dụng phương pháp này thường là máy in SLA sử dụng tia laser làm nguồn bức xạ (Hình 2.2)

Hình 2 2 máy in 3D SLA sử dụng phương pháp in Top - Down

2.2.2 Phương pháp hướng chuyển động từ dưới lên trên (Bottom – Up)

Không giống như phương pháp từ trên xuống, chi tiết được in hướng ngược từ dưới lên trên Chi tiết in được kéo lên khỏi bể chứa theo từng lớp in, do đó cần có các

Trang 34

cấu trúc nâng đỡ chi tiết phức tạp Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là chỉ cần một lượng resin vừa đủ để tạo chi tiết trong suốt quá trình in Nhược điểm là kết cấu phức tạp hơn Máy in DLP hay máy in UV LCD sử dụng phương pháp này (Hình 2.3)

Hình 2 3 Máy in 3D DLP theo phương pháp Bottom – up

2.3 Nguồn năng lượng bức xạ UV

Phương pháp SLA sử dụng năng lượng ánh sáng nằm trong vùng hồng ngoại như: tia laser, máy chiếu DLP, đèn LED, Mỗi nguồn năng lượng khác nhau sẽ có các công nghệ in phù hợp nhưng về nguyên lý không có sự khác biệt Trong nghiên cứu về bức xạ laser UV của Paul F Jacobs và các cộng sự đã tìm thấy được các vấn

đề sau:

• Các chất nhạy sáng (photopolymer) tuân theo định luật Beer-Lambert;

• Tia laser phân bố bức xạ theo nguyên lý Gauss; và

• Quá trình chuyển đổi từ dạng lỏng sang dạng rắn của dung dịch nhựa được

Trang 35

Trong hệ tọa độ Gauss 3 chiều, tia laser di chuyển dọc theo trục x, trục y được xác định như trục biên trong quá trình di chuyển tia laser Cao độ z được xác định như sự dịch chuyển khoảng cách giữa nguồn chiếu tia laser và dung dịch polymer

Hình 2 4 Hệ tọa độ Gauss

Công thức 2.1 thể hiện nguyên lý di chuyển của tia laser trong hệ tọa độ Gauss Trong đó, H(x,y,z) là vị trí tia bức xạ tại vị trí bất kỳ H(x,y,0) là vị trí của bất kì điểm nào nằm trên bề mặt bức xạ (z=0) và Dp là độ xuyên của dung dịch nhựa dưới độ dài bức xạ của tia laser

Ngoài ra, quá trình phân bố bức xạ của tia laser được giải thích theo Công thức 2.2

Trong đó, W0 là bán kính của tia Gauss định nghĩa theo Siegman [8]

Trang 36

Để xác định H0, năng lượng tia laser chiếu qua bề mặt chứa dung dịch polymer phải bằng với tổng năng lượng bức xạ phân bố qua bề mặt dung dịch

2.4 Quá trình hấp thụ năng lượng

Trong quá trình tạo mẫu của các dung dịch nhạy sáng, các phản ứng phụ thuộc vào lượng năng lượng hấp thụ trên mỗi đơn vị diện tích Lượng năng lượng hấp thụ có thể được xác định bằng lượng tiếp xúc trực tiếp của dung dịch polymer với bức xạ vùng hồng ngoại E Đơn vị này được xác định bằng lượng năng lượng tác dụng lên mỗi đơn vị diện tích bề mặt dung dịch polymer

Do lượng bức xạ qua bề mặt dung dịch với tốc độ không đổi (Vs = constant) dọc theo trục x, với giá trị x tăng dần, khi đó:

𝑉𝑠 = 𝑑𝑥/𝑑𝑡 hay 𝑑𝑡 = 𝑑𝑥/𝑉𝑠 (2.9) Trừ công thức 2.7 và 2.9 cho công thức 2.8, ta được:

Trang 37

𝐸(𝑟, 𝑧) = ( 2𝑃𝐿

𝜋𝑊0𝑉 𝑠) 𝑒𝑥𝑝[−𝑧/𝐷𝑝] ∫∞ 𝑒𝑥𝑝

−∞ [−2𝑟2/𝑊02]𝑑𝑥 (2.10) Với: 𝑟2 = 𝑥2+ 𝑦2 và 𝑣 = √2𝑥/𝑊0

∫ 𝑒𝑥𝑝[−𝑥∞ 2/𝑊02]

0 𝑑𝑥 = (𝑊0/√2) ∫ 𝑒𝑥𝑝[−𝑣0∞ 2]𝑑𝑣 (2.11) Bên cạnh đó, ∫ 𝑒𝑥𝑝[−𝑣0∞ 2]𝑑𝑣 = √𝜋/2 (2.12) theo Sneddon (1961) Ta có:

𝐸(𝑦, 𝑧) = (2/𝜋)1/2{𝑃𝐿/𝑊0𝑣𝑠}𝑒𝑥𝑝 − [𝑧

𝐷𝑝+ 2𝑦2/𝑊02] (2.12) Giá trị tiếp xúc cực đại với tia laser được xác định bằng:

𝐸𝑚𝑎𝑥 = (2/𝜋)1/2𝑃𝐿/𝑊0𝑣𝑠 (2.13)

Nếu cường độ tiếp xúc 𝐸𝑒𝑥𝑝𝑜𝑠𝑢𝑟𝑒 nhỏ hơn cường độ tới hạn 𝐸𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 thì dung dịch nhựa photopolymer sẽ tồn tại ở dạng chất lỏng Nếu 𝐸𝑒𝑥𝑝𝑜𝑠𝑢𝑟𝑒 > 𝐸𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 , dung dịch nhựa sẽ bắt đầu chuyển sang thể rắn theo cơ chế gọi là “tạo điểm” Do đó, với các điểm có 𝑦𝑖→𝑛 và 𝑧𝑖→𝑛 thì dung dịch sẽ ở thể rắn còn những điểm nằm ngoài vùng này thì dung dịch nhựa photopolymer sẽ ở trạng thái lỏng

Khi đó, công thức 2.12 tương đương:

𝑒𝑥𝑝 [2𝑦∗2

𝑊02 + 𝑧∗

𝐷𝑝] = (2/𝜋)1/2{𝑃𝐿/𝑊0𝑣𝑠𝐸𝑐} (2.14) Hay: 2𝑦

∗2

𝑊02 + 𝑧∗

𝐷𝑝 = 𝑙𝑛(𝐸𝑚𝑎𝑥/𝐸𝑐) (2.15) Trong quá trình tạo mẫu, tia laser sẽ dịch chuyển với tốc độ:

𝑣𝑠 = (2/𝜋)1/2{𝑃𝐿/𝑊0𝐸𝑐}𝑒𝑥𝑝[−𝐶𝑑/𝐷𝑝] (2.16)

Có thể thấy rằng, tốc độ quét của tia laser tỷ lệ thuận với năng lượng bức xạ của tia laser Từ đó có thể thấy rằng, năng lượng bức xạ của tia laser tỷ lệ với tốc độ tạo mẫu trong quá trình in

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	2,66 MB