Nghiên cứu thiết kế máy in 3d slla dlp

Hiệp hội Thử nghiệm Vật liệu Mỹ American Society for Testing Materials - ASTM đã đưa ra một khái niệm về công nghệ chế tạo bồi đắp vật liệu như sau: “Công nghệ sản xuất đắp dần là một qu

Trang 1

HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGÔ DIỆU THẠCH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY IN 3D SLA DLP

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh

−−−−−−−−−−−−−−−−−− −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGÔ DIỆU THẠCH MSHV:7140348

Ngày, tháng, năm sinh: 26/01/1989 Nơi sinh: TP HCM

Chuyên ngành: Cơ khí Mã số : 60520103

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY IN 3D SLA DLP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tìm hiểu về công nghệ in 3D DLP  Phân tích các cụm chức năng của một máy in 3D DLP  Thiết kế hệ thống cơ khí cho máy in 3D DLP  Chế tạo và thực nghiệm một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt mẫu in

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/01/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)

Trang 3

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS TS TRẦN DOÃN SƠN

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS DƯƠNG MINH TÂM

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 08 tháng 07 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS TS TRẦN THIÊN PHÚC

2 PGS TS THÁI THỊ THU HÀ

3 PGS TS TRẦN DOÃN SƠN

4 TS DƯƠNG MINH TÂM

5 TS HỒ VIẾT HƯNG

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) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Từ khi còn học phổ thông, tôi luôn mơ ước sẽ được học tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, thể nhưng tôi đã không đủ can đảm để đăng ký thi đại học tại trường Và sau khi tốt nghiệp đại học tôi lại nung nấu ý định sẽ học Thạc sĩ tại trường, và tôi cũng đã

cố gắng để có thể theo đuổi bậc học này tại trường Suốt hai năm qua có lẽ là khoảng thời gian đáng ghi nhớ trong cuộc đời của tôi Xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý thầy cô giáo trong trường, đặc biệt là Quý thầy cô ở khoa Cơ Khí, bộ môn Chế Tạo Máy

đã tận tình dạy bảo, truyền đạt cho tôi nền tảng kiến thức nâng cao trong chuyên ngành và

cả những kinh nghiệm quý báu trong cuộc sống

Con xin cám ơn ba mẹ, những người đã có công sinh thành duỡng dục và luôn tạo điều kiện về vật chất lẫn tinh thần để con có thể tiếp tục trên con đuờng học tập đến ngày hôm nay và sau này, ba mẹ luôn là nguồn động lực để con cố gắng, phấn đấu

Để hoàn thành khóa luận này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn, cùng các anh trong Viện Cơ học ứng dụng đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình viết Luận văn tốt nghiệp

Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình thực hiện luận văn mà còn là hành trang quí báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin

Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô cùng các anh dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý

Cảm ơn các bạn lớp học viên Cao học khóa 2014 đã luôn giúp đỡ và cộng tác với tôi trong suốt thời gian qua

TP.HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016

Hoc viên

Ngô Diệu Thạch

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ứng dụng in 3D đã nhanh chóng mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác, đã tác động sâu, rộng đến nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ kỹ thuật, y tế đến hàng không, vũ trụ,…Có thể thấy, công nghệ in 3D đã, đang và sẽ mang lại những cú đột phá mới trong sản xuất, tác động đến nền sản xuất một cách sâu rộng hơn Do đó, luận văn này chủ yếu tập trung nghiên cứu về máy in 3D dùng vật liệu nhựa lỏng và máy chiếu DLP, tìm hiểu về tính chất của vật liệu nhựa cảm quang Phần chính của luận văn trình bày về phân tích các cụm chức năng của một máy in 3D trên cơ sở các phương án sẵn có trên thị trường cũng như các phương án mới, từ đó làm cơ sở lựa chọn phương án thiết kế tốt nhất phù hợp nhất với các yêu cầu được đưa ra là:

- Kích thước vật theo 3 phương xyz: 190x100x250 (mm)

- Chiều dày nhỏ nhất (layer): 0,05 mm

Từ cơ sở lý thuyết đó, tiến hành chế tạo máy thực tế Cuối cùng, từ máy đã chế tạo, tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng một số thông số đến kết quả mẫu in theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm

ABSTRACT

3D printing applications has rapidly expanded into many fields, have been deeply and widely affected to variety of industries ranging from engineering, healthcare, aerospace, As we can see, 3D Printing technology have been and will be bringing a new breakthroughs in manufacturing Therefore, this thesis study mainly focus on 3D printers using liquid plastic material and DLP projectors, to learn about the properties of photosensitive resin material The main sections of the thesis presents the analysis of functional parts of a 3D printer based on the options available on the market as well as new methods, which make foundation for selecting the best design option that best suits the requirements are given as:

- The size objects according to the xyz 3: 190x100x250 (mm)

- The minimum thickness (layer): 0.05 mm

From that theory, conduct practical manufacturing the machine Finally, from the machine was built, conduct the study about how the parameters affecting the prototype in accordance with experimental planning methods

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Văn Nghìn Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình Trường ĐH Bách Khoa TP HCM không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 06 năm 2016

Trang 7

MỤC LỤC

1.3 ỨNG DỤNG VÀ TỐC ĐỘ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ IN 3D 20

2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 26

3.2 PHÂN TÍCH CÁC CỤM CHỨC NĂNG TRONG MÁY IN 3D DLP 46

Trang 8

4.1.1 CHIỀU CAO TỐI THIỂU CỦA NHỰA CẢM QUANG TRONG

5.1 TRANG THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ ĐO KIỂM PHỤC VỤ

Trang 9

Trang 10

HVTH: NGÔ DIỆU THẠCH Trang

10

BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH:

Hình 2.4 Mô tả quá trình "mở" hoặc "tắt" một tín hiệu kỹ thuật số 36

Trang 11

11

Hình 3.30 Môi trường chân không đươc tạo ra giữa lớp mới nhấtcủa chi tiết in và bề mặt

Trang 12

12

Hình 5.5: đồ thị điểm biểu hiện sự phụ thuộc của độ nhám vào các yếu tố đầu vào 116

Hình 5.7: đồ thị điểm biểu hiện sự phụ thuộc của sai số vào các yếu tố đầu vào 119 Hình 5.9: đồ thị điểm biểu hiện sự phụ thuộc của sai số vào các yếu tố đầu vào 123

Trang 13

“in 3D” sẽ cho người nghe hình dung về việc sử dụng máy in phun với đầu mực di chuyển trên giấy để tạo ra các sản phẩm, giống như máy in thông thường hiện nay vẫn hay sử dụng tại văn phòng Trên thực tế thì công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu cũng có thể hoạt động tương tự như vậy, nhưng nó còn có những quá trình, kĩ thuật tiến bộ hơn Hiệp hội Thử nghiệm Vật liệu Mỹ (American Society for Testing Materials - ASTM) đã đưa ra một khái niệm về công nghệ chế tạo bồi đắp vật liệu như sau: “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay” Có thể thấy đây là một phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với các phương pháp cắt gọt - hay còn gọi là phương pháp gia công, mài giũa vật liệu nguyên khối - bằng cách loại bỏ hoặc cắt gọt đi một phần vật liệu, nhằm có được sản phẩm cuối cùng Còn với sản xuất đắp dần, ta có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay ép khuôn, nhưng từ những nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối cùng Công nghệ in 3D ra đời đã được 30 năm nay Năm 1984, bằng sáng chế số “US

4575330 A” của Charles Hull có tên là “Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography” đưa ra một công nghệ gọi là Stereolithography – công nghệ tạo hình lập thể Sau đó, ông Hull thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiên được gọi là Stereolithography Apparatus (SLA) Từ đó đến nay, công

ty đã trở thành một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất trong lĩnh vực này Sau

đó là các sáng chế về LOM, SLS, DTM, EOS cũng được đăng ký bản quyền

Năm 1986 bằng sáng chế US 4.752.352 “Apparatus and method for forming an integral object from laminations” của Michael Feygin được thương mại hóa bởi Solidscape với công nghệ LOM Năm 1986 Carl R Deckard cũng đệ trình và được cấp bằng sáng chế

Trang 14

14

US 4.863.538 “Method and apparatus for producing parts by selective sintering” về công nghệ SLS – công nghệ in 3D bằng phương pháp thiêu kết chọn lọc Bằng sáng chế này được ban hành vào năm 1989 và sau đó SLS được cấp phép cho công ty DTM Inc, mà sau này đã được mua lại bởi 3D System

Năm 1987 3D System phát triển dòng sản phẩm SLA-250, đây là phiên bản máy in 3D đầu tiên được giới thiệu ra công chúng

Năm 1989 Scott Crump thành lập Stratasys Và vào năm 1992 Stratasys nộp bằng sáng chế về công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM) – in 3D theo phương pháp đùn nhựa nóng chảy Tháng 06/1992 Scott Crump nộp đơn bằng sáng chế US 5.121.329

“Apparatus and method for creating three-dimensional objects” của về công nghệ FFF (Fused Filament Fabrication) 1992 – Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên : “3D Modeler”

Năm 1991 Helisys bán chiếc máy đầu tiên dùng công nghệ Laminated Object Manufacturing (LOM)

Năm 1993 Viện Công nghệ Massachusetts Institute of Technology (MIT) đăng ký phát minh “3 Dimensional Printing techniques (3DP)” Công nghệ này giống với công nghệ máy in phun 2d bình thường Đây cũng là khởi điểm của cụm từ ”In 3D” 1993 Công ty Solidscape được thành lập để chế tạo ra dòng máy in 3d dựa trên công nghệ in phun , máy có thể tạo ra những sản phẩm nhỏ với chất lượng bề mặt rất cao

Đến năm 1995 – Công ty Z Corporation đã mua lại giấy phép độc quyền bằng sáng chế US 5.204.055 từ MIT để sử dụng công nghệ 3DP và bắt đầu sản xuất các máy in 3d

1997 - EOS bán mảng kinh doanh máy in 3d công nghệ stereolithography cho 3-D Systems nhưng vẫn là nhà sản xuất máy in 3d lớn nhất Châu Âu

2005 – Z Corp giới thiệu dòng máy Spectrum Z510 Đây là dòng máy in 3d đầu tiên tạo ra những sản phẩm có nhiều màu sắc chất lượng cao

Trang 15

15

Hình 1.1 Máy in 3d nhiều màu sắc Z510

2006 – Dự án máy in 3d mã nguồn mở được khởi động – Reprap – mục đích có thể tạo ra những máy in 3d có thể sao chép chính bản thân nó

2008 – Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành Nó có thể sản xuất được 50 % các bộ phận của chính mình

Hình 1.2 Máy in 3d RepRap

Trang 16

16

11/2010 - Urbee chiếc xe nguyên mẫu đầu tiên được giới thiệu Đây là chiếc xe đầu tiên trên thế giới mà toàn bộ phần vỏ body được in ra từ máy in 3D Tất cả các bộ phận bên ngoài, kể cả kính chắn gió đều được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn của Stratasys

Hình 1.3 Chiếc xe đầu tiên được in bằng công nghệ máy in 3d 12/2010 - Organovo Inc một công ty y học tái tạo nghiên cứu trong lĩnh vực in 3d sinh học đã công bố việc chế tạo ra hoàn chỉnh mạch máu đầu tiên hoàn toàn bằng công nghệ in 3D

Hình 1.4 Mạch máu in bằng công nghệ máy in 3d

Trang 17

Trang 18

18

Hình 1.7 Trang sức vàng 14K và bạc được in bằng công nghệ in 3d

2012 - Các bác sĩ và kỹ sư tại Hà Lan đã sử dụng một máy in 3D được làm bởi LayerWise để in ba chiều hàm dưới giả, sau đó cấy ghép cho một người phụ nữ 83 tuổi

bị nhiễm trùng xương mãn tính Công nghệ này hiện đang được nghiên cứu để thúc đẩy sự tăng trưởng của tế bào xương mới

Hình 1.8 Hàm răng dưới được in bằng công nghệ máy in 3d 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP IN 3D TIÊU BIỂU

Trang 19

19

Hiện nay có rất nhiều phương pháp in 3D khác nhau nhưng điểm hình là năm loại sau: công nghệ Tạo hình Lập thể (SLA); công nghệ chế tạo cắt dán từng lớp vật liệu (LOM); công nghệ thiêu kết bằng tia laze (SLS); công nghệ đùn nhựa nóng chảy (FDM);

và công nghệ in 3D (3DP)

Phương pháp của công nghệ SLA là tạo ra mẫu bằng cách đông cứng nhựa bằng phản ứng quang hóa polyme Một thùng có chứa một loại nhựa lỏng và một tấm đế được đặt bên trong thùng ở vị trí cách mặt thoáng của dung dịch nhựa lỏng độ dày của một lớp Mỗi một lớp được tạo thành bằng cách di chuyển một tia laze trên bề mặt chất lỏng, sẽ hóa cứng và định hình nhựa thành hình dạng mong muốn Sau sự hình thành của mỗi một lớp vật liệu, tấm nền sẽ di chuyển xuống một khoảng bằng với độ dày của một lớp Quá trình chế tạo được tiếp tục bằng cách làm đông cứng phần nhựa phía trên lớp đã tạo thành trước

đó, xây dựng vật mẫu theo hướng từ dưới lên trên Các mẫu sau khi được tạo hình thì chìm hoàn toàn trong nhựa lỏng Tấm nền sau đó sẽ được nâng lên khỏi nhựa lỏng để lấy mẫu

ra, rửa sạch và nếu cần thiết thì mẫu có thể trải qua một quá trình xử lý biến cứng

Hình1.9 Nguyên lý làm việc của công nghệ SLA Công nghệ dán từng lớp vật liệu (LOM) là một phương pháp cắt các tấm vật liệu, chẳng hạn như kim loại hoặc tấm phim nhựa, và dán chúng lại thành một vật thể ba chiều Một tia laze sẽ cắt hình dáng của mỗi một lớp và cắt thêm các xọc ca rô ở phần vật liêu

Trang 20

20

thừa bao quanh bên ngoài nhằm tạo thuận lợi cho việc tách chúng ra khỏi sản phẩm sau này Tấm nền sau đó sẽ nâng lên, tách phần hình dạng đã được cắt và hạ xuống để thực hiện quá trình cán vật liệu Lớp tiếp theo sẽ được trải ra bên trên lớp trước đó bằng cách sử dụng một con lăn nóng và quá trình tiếp tục cho đến khi mẫu được tạo thành [3] Ưu điểm của phương pháp in 3D này đó là tương đối rẻ tiền và vật liệu sử dụng dể dàng tìm thấy trên thị trường

Hình 1.10 Công nghệ LOM Công nghệ thiêu kết bằng tia laze (SLS) được phát triển lần đầu tiên vào năm 1986 [2] và được thương mại hóa vào năm 1995 Kỹ thuật của phương pháp in 3D này đó là sử dụng một tia laze để thiêu kết các lớp vật liệu bột tạo ra mẫu 3D Một lớp bột, trong hầu hết các trường hợp là bột polyme hoặc bột kim loại, được phân bố trên toàn bộ bề mặt của tấm nền Một tia laze được sử dụng để nung chảy các bột này với nhau tạo thành hình dạng của một mặt cắt ngang hai chiều Sau khi lớp đó được làm nguội, tấm nền sẽ hạ xuống và lớp bột tiếp theo sẽ được phủ lên Khi mẫu 3 chiều đã được tạo hình hoàn chỉnh, nó sẽ hoàn toàn chìm trong vật liệu bột còn lại Chi tiết được lấy ra khỏi phần bột và phần bột đó

có thể được sử dụng lại để tạo mẫu khác

Trang 21

21

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ SLS Công nghệ đùn nhựa nóng chảy (FDM) được phát triển vào năm 1988 Kỹ thuật in 3D này đùn nóng chảy một loại nhựa nhiệt dẻo theo từng lớp một để tạo thành một vật thể

ba chiều [2] Vật liệu nhựa nhiệt dẻo dạng rắn được đẩy quá một vòi phun mà qua đó nó sẽ vừa bị nóng chảy và được ép ra thông qua một lỗ có đường kính nhỏ Vật liệu dẻo được ép

ra sẽ dùng để tạo hình vật thể ba chiều theo từng lớp một Giồng như các phương pháp in 3D khác, lớp đầu tiên sẽ được xây dựng trên tấm nền, tấm này sau đó sẽ hạ xuống sau khi lớp đầu tiên được hoàn thành

Hình 1.12 Sơ đồ của công nghệ FDM 1.3 ỨNG DỤNG VÀ TỐC ĐỘ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ IN 3D

1.3.1 ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ IN 3D

Trang 22

22

In 3D có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực In 3D đang ngày càng trở nên phổ biến hơn trong cuộc sống hàng ngày của mọi người Chi phí phù hợp là ưu điểm lớn vì in 3D hiệu quả về về mặt vật liệu và linh hoạt vì người dùng có thể in thứ họ cần ở nhà hoặc trong một số cửa hàng in 3D ở gần nhà Một số người thậm chí còn dự đoán về một cuộc cách mạng có thể có trong lĩnh vực phát triển mẫu in và sản xuất Một số cho rằng sản xuất theo kiểu hiện nay có thể được triệt tiêu vĩnh viễn nếu chúng ta phát triển in 3D đến mức hoàn thiện [5]

Công nghệ in 3D được ứng dụng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống từ công nghiệp chế tạo đến y tế, giáo dục và xây dựng Lý do chính khiến công nghệ in 3D được sử dụng rộng rãi trong môi trường công nghiệp là nó cho phép sản xuất các bộ phận với số lượng ít, bộ phận có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm, sản xuất theo yêu cầu Lý do nữa để sử dụng in 3D là giúp giảm độ phức tạp trong quản lý chuỗi cung ứng, cho phép sản xuất các bộ phận tại chỗ thay vì phải sản xuất ở nơi khác mang đến

Hình 1.13 Ứng dụng in 3D trong công nghiệp Wohlers Associates, tháng 5, 2014 Ứng dụng trong kỹ thuât

Trong kỹ thuật, in 3D thể hiện sự vượt trội của mình so với tạo hình các chi tiết khó

mà gia công truyền thống không thể chế tạo được cũng như một số ưu điểm vượt trội khác

Trang 23

23

như sau:

- Truyền đạt thiết kế: in 3D là phương án truyền đạt ý tưởng tuyệt vời nhất giữa các nhà thiết kế Mô hình thật của mẫu in giúp nhóm thiết kế đánh giá và phát hiện các sai sót tiềm ẩn dễ dàng hơn so với việc kiểm tra trên mô hình 3D

- Kiểm tra chức năng làm việc của mẫu in: khi dựa vào mô hình 3D, khó để đảm bảo mẫu in khi sản xuất ra có thể đáp ứng được các yêu cầu về thao tác làm việc, lắp ghép Đặc biệt với các chi tiết cam, trục lệch tâm hay khớp nối, cần điều khiển in 3D sẽ giúp các kỹ sư và nhà thiết kế xử lý những vấn đề đó Công nghệ in 3D hiện nay có thể tạo ra các mẫu lắp ghép, với nhiều màu sắc đa dạng khác nhau

- Tạo công cụ gia công: in 3D được ứng dụng rất phổ biến trong công việc chế tạo các chi tiết là khuôn đúc silicon, composite, khuôn đúc vỏ mỏng

- Sao chép các mẫu in: in 3D còn giúp sao chép các mẫu in có hình dáng giống nhau nhưng với kích thước khác nhau

Hình 1.14 Một số mẫu in và khuôn được làm từ công nghệ in 3D Ứng dụng trong y học

Công nghệ in 3D lần đầu tiên được sử dụng thành công trong lĩnh vực y tế bởi Tiến

sĩ Stephen Rouse là người điều hành trung tâm ứng dụng 3D trong y tế Walter Reed Army Ông là người tiên phong trong nghiên cứu phục hồi chấn thương sọ não nghiêm trọng thông qua công nghệ bồi đắp và cấy ghép

Trang 24

24

Hình 1.15 Các mẫu in 3D trong y học Một ví dụ điển hình là trường hợp hai chị em sinh đôi, dính nhau ở phần đầu, được tách nhau vào 24/7/2001, nhờ một một mô hình 3D (một tập tin STL) được tạo ra cho RP bằng cách chụp cắt lớp (CT) từ nhiều hướng khác nhau Một mô hình các giao điểm của hai hộp sọ đư được chế tạo, giúp các bác sĩ phẫu thuật để lên kế hoạch phẫu thuật và làm thế nào họ sẽ định tuyến lại các mạch máu quan trọng Nhờ đó, cuộc phẫu thuật chỉ mất 22 giờ để hoàn thành, trong khi các cuộc phẫu thuật tương tự có thể kéo dài đến 97 h In 3D ngày càng được ứng dụng nhiều trong y học để chế tạo các mô hình y học các bộphận cấy ghép, là một bước tiến lớn trong y học như tai, mũi, bàn tay [5]

Ứng dụng trong công nghệ kim hoàn

Ngoài các ứng dụng đã trình bày thì in 3D ngày càng được ứng dụng nhiều trong công nghệ kim hoàn, thiết kế chế chế tạo đồ trang sức, với độ chính xác có thể đạt đến vài chục ^m và độ tinh xảo tuyệt vời mà các phương pháp khác không thể so sánh được

Hình 1.16 Các mẫu in 3D trong công nghệ kim hoàn Các lĩnh vực khác

Một ví dụ khác là một quy trình mang tên Phác thảo đường bao, là cấu trúc tự động hóa trong xây dựng Quá trình in 3D này được phát triển bởi giáo sư Behrokh Khoshnevis

Trang 25

25

của Đại học Nam California, Hoa Kì

Hình 1.17 Nhà ở Trung Quốc được xây dựng nhờ công nghệ in 3D

Ý tưởng cơ bản của Contour Crafting là một ngôi nhà có thể được làm bằng bê tông kiểu bồi đắp lên nhau Với phương pháp này ta có thể xây dựng một ngôi nhà chỉ trong một ngày hoặc một tòa building một cách nhanh chóng với chi phí thấp [5]

Ngoài ra, in 3D còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như thiết kế thời trang, quốc phòng, hàng không,

1.3.2 TỐC ĐỘ PHÁT TRIỂN

Công nghệ in 3D in 3D từ khi ra đời, đánh dấu bởi mốc Hull công bố bằng sáng chế

về Thiết bị tạo hình lập thể SLA vào năm 1980 thì đến nay, đã có hàng trăm hệ thống và trên 30 phương pháp in 3D được nghiên cứu và ứng dụng trên toàn thế giới Sự phát triển công nghệ in 3D và sự xuất bản các bằng sáng chế liên quan bắt đầu xuất hiện từ những năm 1990 với sự gia tăng rõ rệt trong các hoạt động xung quanh công nghệ này xảy ra trong 5 năm qua Rõ ràng các hoạt động hiện tại xung quanh những công nghệ này vẫn tiếp tục cho đến ngày nay

Năm 2013, ngành công nghệ sản xuất mẫu 3D trị giá khoảng 3,1 tỷ USD/năm, tăng 35% so với năm 2012 Trong vòng sáu năm tới, tốc độ tăng trưởng trung bình được dự đoán ở mức cao, khoảng 32%/năm và đạt mức 21 tỷ USD vào năm 2020 Cho thấy nhu cầu về máy in 3D là rất lớn trong những năm tới đây

Trang 26

và độ phức tạp của mẫu in ngày càng tăng, trong khi thời gian chế tạo mẫu in ngày càng được rút ngắn Chính vì điều đó mà với nhưng ưu điểm của mình, in 3D ngày càng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng như đời sống

Trang 27

27

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

2.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH LẬP THỂ SLA

2.1.1 KHÁI QUÁT VỀ QUANG TRÙNG HỢP

Quang trùng hợp là một ngành khoa học nghiên cứu về quá trình đông cứng của một loại nhựa lỏng bằng cách sử dụng ánh sáng tia cực tím Ứng dụng của đông rắn quang

đã được người ta biết nhiều năm trước nhưng ngày nay các ứng dụng này ngày càng phổ biến nhờ vào những ưu điểm của nó

Nhựa có khả năng đông rắn quang có thể chứa hoặc là các chuỗi polyme hoặc là các monome Với việc sử dụng nhựa lỏng monome, phơi sáng dưới tia cực tím sẽ thúc đẩy quá trình quang trùng hợp polyme của các monome này Trong hầu hết các trường hợp, để khơi mào cho một quá trình quang trùng hợp thì cần có một chất khởi đầu quang hóa (chất quang khởi) Chất khởi đầu rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khoảng thời gian cần thiết để nhựa đông cứng hoàn toàn Chất này cần phải có một tỷ lệ hấp thụ ánh sáng cao đồng thời cũng phải có giai đoạn kích thích ngắn nhằm không tạo ra sự dập tắt bởi oxy [10] Ngoài các monome và chất khởi đầu, còn có một thành phần quan trọng khác trong nhựa quang hóa bằng tia cực tím đó là oligome

Oligome thường chiếm một tỷ lệ lớn theo khối lượng trong nhựa và nó giống với một polyme đó là do được tạo bởi các monome Tuy nhiên nó khác với một polyme vì nó không chứa một lượng lớn monome như polyme, mà chỉ có một chuỗi nhỏ Sự có mặt của oligome trong nhựa sẽ chịu trách nhiệm cho rất nhiều đặc tính và tính chất của polyme đã đông cứng chẳng hạn như độ bóng, khả năng phản ứng, chống trày xướt, chống ố vàng, v.v… Phụ gia cũng có thể được thêm vào để đạt được các đặc tính mong muốn khác của polymer được đông cứng chẳng hạn như thêm màu vào [11]

2.1.2 CÁC LOẠI NHỰA CÓ KHẢ NĂNG ĐÔNG RẮN QUANG

Có hai loại nhựa đông rắn quang Đó là loại đống rắn gốc tự do và loại đống rắn tia cực tím ion dương Cơ chế hóa học khác nhau một chút dựa trên phương thức đông rắn

Trang 28

28

Chất khởi đầu sẽ tạo ra hoặc là gốc tự do hoặc là các photon mà do đó nó được phân loại vào phương pháp đông rắn gốc tự do hay đông rắn ion dương Ưu điểm lớn nhất của đông rắn quang gốc tự do là quá trình đông cứng có thể xảy ra trong một phần của một giây trong khi với đông rắn ion dương thì quá trình đông rắn có thể phải cần nhiều giây đến nhiều phút mới đông rắn phương pháp đông rắn ion dương có một ưu điểm là sản xuất vật liệu với độ co rút ít hơn so với phương pháp gốc tự do [12]

Khi một gốc tự do được tạo thành, một monome sẽ kêt hợp với nó tạo thành một gốc tự do khác và dẫn đến việc kết hợp với một monome khác nữa cho đến khi tạo thành một phân tử dài Chuỗi phản ứng đóng rắn này xẩy ra rất nhanh chóng và sẽ không dừng lại cho đến khi chuỗi bị ức chế bởi một chuỗi khác hoặc phản ứng với oxy vào cuối chuỗi

Có 3 loại nhựa chính được sử dụng trong công nghệ quang polyme hóa đó là nhựa polyeste/ styren chưa bão hòa, thiol-polyene, và monome arcylate

Nhựa polyester / styren chưa bão hoà là một loại nhựa nhiệt rắn và thường được dùng trong các ngành công nghiệp điện, ô tô và máy bay Đây là một loại nhựa chi phí thấp và có các đặc tính cơ học tốt cùng với kháng hóa chất tốt và cách điện [14] Tuy nhiên

nó có tỷ lệ đóng rắn tương đối chậm Nhựa thiol-polyene có chi phí cao và được sử dụng chủ yếu cho lớp phủ bảo vệ và các ứng dụng kết dính Monome acrylat có lợi thế của quá trình polymer hóa vô cùng nhanh so với các hình ảnh có thể chữa được các loại nhựa khác Các polyme dẫn có tính chất cơ học, quang học và tính chất hóa học giúp làm acrylate monome một trong những hình ảnh các loại nhựa có thể chữa được ưa chuộng nhất trên thị trường [13]

Công nghệ tạo hình lập thể liên quan đến các loại nhựa monome acrylat này Một số công nghệ công nghệ in 3D sử dụng bức xạ chùm tia điện tử EB (Electron Beam) nhưng phần lớn các hệ thống RP sử dụng photopolyme hóa cứng trong phạm vi bước sóng của tia

UV (Jacobs, 1996) Tất cả các loại nhựa có khả năng đông rắn quang có thể phân ra ba loại; epoxy, acrylate, hoặc nhựa vinyl-ête, và tất cả ba loại đều chứa các chất độn và các hóa chất khác để tạo ra các thuộc tính hóa học và vật lý cụ thể (Chua et al., 2003)

Trang 29

29

Trong polyme có nguồn gốc từ acrylate (polyme được sử dụng trong nghiên cứu này) quá trình trùng hợp đạt được nhờ sự quang polyme hóa thông qua việc sử dụng một gốc tự do Thông thường các loại nhựa bao gồm các chất khơi mào quang hóa và chất lỏng monome Khi nhựa được tiếp xúc với tia UV ánh sáng, các chất khơi mào quang hóa hấp thụ một số các photon và được nâng lên đến trạng thái hoạt động và sau đó bắt đầu bước đầu tiên của phản ứng khi một phân tử khơi mào bị phân hủy để tạo ra hai gốc do, quá trình này được gọi là quá trình bắt đầu như trong phương trình 2.1

I→hv 2R⦁ (2.1)

R • + M — (R-M) • (2.2) Sau đó phản ứng khơi mào của chuỗi bắt đầu khi các gốc tự do được kích hoạt phản ứng với các phân tử monomer để tạo thành một phân tử khơi mào quang polyme hóa như trong phương trình 2.2 Bước thứ hai là sự lan truyền chuỗi, bắt đầu khi các monome phụ trợ phản ứng với phân tử quang polyme hóa khởi đầu để tạo thành một đại phân tử gốc lớn như trong phương trình 2.3

(Mn •) + M kp— (Mn + 1•) (2.3) Trong đó kp là tỷ lệ phản ứng

Bước cuối cùng là chấm dứt quá trình khi đó phản ứng dây chuyền kết thúc là do sự

ức chế quá trình xuất phát từ phản ứng trùng hợp Các phản ứng chính dẫn đến chấm dứt phản ứng dây chuyền đó là; Sự tái tổ hợp, Sự mất cân đối, và sự hấp thụ Sự tái tổ hợp xảy

ra khi hai gốc do liên kết với nhau và tạo thành đuôi không hoạt động, phương trình 2.4

Sự mất cân đối xảy ra khi β-hydro chuyển đổi từ một gốc tự do để tạo ra hai phân tử một với đuôi bão hòa và một đuôi hoạt động, phương trình 2.5 Trong trường hợp này phản ứng tiếp tục trong một giây hoặc ít hơn khi tắt ánh sáng Sự hấp thụ (hoặc đông lạnh khả năng

di động) là khi một số các gốc tự do còn lại có thể tiếp tục phản ứng rất chậm đến một vài tháng, phương trình 2.6 (Jacobs, 1993)

→ Mm+n (2.4) (Tái tổ hợp)

(Mm •) + (Mn •) → Mm + Mn (2.5) (Mất cân đối)

Trang 30

30

Phạm vi thời gian phản ứng từ một giây cho đến một vài giờ tùy thuộc vào nồng độ của chất khơi mào quang hóa trong nhựa Trong SL thời gian phản ứng là gần như vào khoảng mili giây Thời gian phơi sáng UV càng lâu, thì các chuỗi sẽ càng dài, và trọng lượng phân tử polyme càng lớn (Chua et al, 2003)

2.1.3 SỰ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT NGANG

Liên kết ngang là một trong những phần quan trọng nhất của quá trình quang polyme hóa vì nó tạo ra một mạng lưới liên tục và bền vững giữa các phân tử, đặc biệt là trong nhựa có chứa các monome với nhiều nhóm chức Chi tiết được làm từ những loại nhựa như vậy có một liên kết hóa học mạnh nhờ đó mà tạo cho chi tiết cấu trúc cứng vững Bởi vì các liên kết là rất mạnh nên để tách chúng ra thì nhiệt lượng cần thiết là rất lớn và các chi tiết không tan chảy khi bị đốt, nghĩa là nó bị phá hủy nhiệt (Jacobs, 1996)

2.1.4 ĐỘ BỀN ƯỚT

Ngay sau khi được xây dựng xong, chi tiết lúc này được gọi là "trạng thái ướt" Trạng thái ướt là khi photopolyme đã được hóa cứng đủ để có sức bền cơ học nhằm giữ cấu trúc hình dáng của nó Sức bền cơ học của chi tiết hóa cứng được đo bởi mô đun đàn hồi (Young) và độ bền kéo

Điểm gelatin hóa là trạng thái trước khi đạt đến trạng thái ướt và số lượng năng lượng phơi sáng cần thiết để đạt được điểm gelatin hóa là một mức năng lượng quan trọng,

Ec (Jacobs, 1996)

2.1.5 POLYME CẢM QUANG VÀ TẠO HÌNH LẬP THỂ

Polymer cảm quang đã được phát triển vào cuối những năm 1960 và ngay sau đó nó

đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thương mại khác nhau như ngành công nghiệp sơn và in ấn Ví dụ, lớp phủ bóng trên giấy, dùng trong nha khoa và nhựa photocurable được sử dụng để lấp các rãnh sâu và ngăn ngừa sâu răng Trong những trường hợp này, quá trình đông đặc được thực hiện mà không cần khuôn mẫu, vì không

Trang 31

2.1.6 PHOTOCURING

Thuật ngữ curing dùng để chỉ một giải pháp hóa rắn polymer RadTech Bắc Mỹ định nghĩa hóa rắn bức xạ như sau: "bức xạ như một nguồn năng lượng để tạo ra sự chuyển đổi nhanh chóng theo công thức đặc biệt khiến 100% chất lỏng tham gia phản ứng thành chất rắn" Sự hóa rắn được thực hiện ở hầu hết các trường hợp với tia cực tím hoặc ánh sáng nhìn thấy được, nhưng trong một số trường hợp có thể sử dụng chùm tia điện tử, tia X, tia γ, plasma và sóng cực ngắn cho nó

Một dung dịch nhựa photocurable bao gồm một photoinitiator (chất mồi sáng), monome, oligomer và phụ gia Khi ánh sáng tác động, photoinitiator tạo ra các gốc tự phản ứng với monome lân cận Quá trình này là sự trùng hợp gốc tự do cảm ứng, như trong trường hợp trùng hợp nhựa acrylate Trong trùng hợp cation, mặt khác, một loại nhựa epoxy được polymer hóa bởi các ion cation Các quá trình này khác với phản ứng trong photoinitiation như đã đề cập ở các phần trước

Các đơn vị photocuring đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1970 Chúng được tạo để thao tác với ánh sáng cực tím Các đơn vị này đã rất thành công (tốc độ, sự tiện dụng) ,được áp dụng để phục vụ công tác phục hồi nha khoa Ánh sáng nhìn thấy được đưa vào cùng với quy trình photocuring một vài năm sau đó (1976) Cần thí nghiệm để chọn bước sóng phù hợp với mỗi loại photoinitiators khác nhau

Trang 32

32

Quá trình hóa rắn bắt đầu khi các photon phát ra phản ứng với photoinitiators trong nhựa, nhưng sự phơi sáng phải được đảm bảo Phơi sáng được định nghĩa là năng lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích (thường là mJ /cm2) Polymer quang hóa sẽ không vượt quá một độ dày nhất định nếu giá trị phơi sáng nhỏ hơn một giá trị ngưỡng Công thức giá trị phơi sáng yêu cầu đối với gel (không hoàn toàn chắc chắn, nhưng không phải chất lỏng) được xem như là sự phơi sáng then chốt Nhựa lỏng thường được chứa trong một bình chứa khi sử dụng bức xạ Nếu phơi sáng đủ lớn, nhựa sẽ được đông đặc hoàn toàn từ mặt thoáng xuống đáy ở vị trí phơi sáng Như vậy, bằng cách thay đổi khoảng cách giữa bề mặt nhựa và một bệ đỡ di động, người ta có thể kiểm soát độ dày của lớp đông đặc Tùy thuộc vào cài đặt ban đầu, việc này có thể được thực hiện theo những cách thức khác nhau như

Tỷ lệ đông đặc giảm khi nồng độ của monome không phản ứng (trơ) tập trung giảm và độ nhớt của gel tăng Kết quả là, độ dày lớp đông đặc giảm theo cấp số nhân Hấp thụ ánh sáng của nhựa có thể được mô tả bằng phương trình Beer-Lambert:

z D

E z E e   trong đó E là giá trị phơi sáng, z là độ sâu (z = 0 trên bề mặt), E0 là giá trị phơi sáng trên bề mặt và Dp là độ sâu thâm nhập ánh sáng của nhựa

Thành phần của nhựa và đặc biệt là photoinitiator có thể gây ra sai lệch theo hàm

mũ Ví dụ, photobleaching (chất tẩy trắng) tạo ra độ dày lớp đông đặc lớn hơn mong đợi Inhomogeneousity (chùm sáng không đồng nhất) có thể gây ra sự tán sắc và do đó độ dày lớp đông đặc sẽ giảm, nhưng diện tích đông đặc có thể tăng lên Trong quang học đối tượng được sản xuất theo từng lớp Độ dày lớp có thể được điều chỉnh bằng phương tiện

cơ khí, ví dụ, bằng cách di chuyển bệ đỡ (lên hoặc xuống) Tuy nhiên, độ dày lớp đông đặc thay đổi nếu đối tượng đã bị võng xuống (tức là giống như cấu trúc cây cầu, lúc này, chiều dày lớp mới là lớn hơn so với lớp trước) Để ngăn chặn điều này, người ta có thể phải sử dụng vật liệu hấp thụ trung tính

2.1.7 CÁC CHẤT HẤP THỤ VÀ ỔN ĐỊNH QUANG

Trang 33

33

Khi các chi tiết nhựa được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo, điều này có thể ảnh hưởng đến vòng đời của một chi tiết Tia cực tím có thể phá vỡ các liên kết hóa học trong polyme, một quá trình được gọi là phân hủy quang (photodegradation) Quá trình này gây ra sự thay đổi màu sắc, nứt chi tiết và thay đổi các tính chất cơ học như độ bền kéo và độ bền va đập Để khắc phục quá trình phân hủy này của các polyme, người ta ứng dụng một phạm vi rộng các chất ổn định tia UV (UV stabilisers) Chất ổn định tia UV (UV stabilisers) có hai loại chung, chất hấp thụ tia cực tím (ultraviolet light absorbers - UVA) và chất ổn định quang cản trở amin (HALS) (Bolgar, 2008)

A CHẤT ỔN ĐỊNH QUANG TIA CỰC TÍM (UVA)

Bằng cách sử dụng một UVA chẳng hạn như Tinuvin ® 327 quá trình phân hủy bị trì hoãn bởi vì tia cực tím phá hoại bị hấp thụ và phân tán thành năng lượng nhiệt Tuy nhiên, các chất UVA phải có nồng độ phù hợp với độ dày của chi tiết để quá trình hấp thụ

có thể thành công nhằm chống lại sự phân hủy quang Trong một số ứng dụng, sự kết hợp của UVAs và HALS tạo thành một mối quan hệ hiệp trợ có thể cải thiện tính ổn định quang (Ciba, năm 2012; Bolgar, 2008)

B CHẤT ỔN ĐỊNH QUANG CẢN TRỞ AMIN (HALS)

Trong polyme có chứa hydrocarbon, sự tồn tại ở mức cao của các nguyên tử hiđrô gây ra sự hình thành gốc tự do trong polyme, cuối cùng dẫn đến sự phá vỡ chuỗi hoặc liên kết ngang do đó mà diễn ra sự thoái háo Trái ngược với UVAs, HALS không hấp thụ năng lượng tia UV, chúng hoạt động để ức chế sự phân hủy của polyme nhờ ức chế oxy và loại bỏ các gốc tự do trung gian (Ciba, năm 2012; Bolgar, 2008)

2.2 CÔNG NGHỆ DLP

2.2.1 DIGITAL LIGHT PROCESSING

DLP là viết tắt của Digital Light Processing - Công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số Công nghệ này được phát triển bởi Texas Instruments với nhiều ứng dụng, bao gồm máy chiếu, máy quang phổ, máy quét 3D, công nghệ hiển thị HUD – (hiển thị dữ liệu trên một màn hình trong suốt) và các ứng dụng trong ngành y tế, (Texas Instruments, 2015) Công

Trang 34

34

nghệ này về cơ bản là một ma trận của hàng triệu vi gương mà góc độ mỗi gương có thể điều khiển được từ một bộ điều khiển thiết bị vi gương kỹ thuật số (DMD) (1220 trong hình 3), với tín hiệu kỹ thuật số đầu vào từ một vi điều khiển (1240)

2.2.2 MÁY CHIẾU DLP

Một bằng sáng chế của Anthony DiCarlo với mã số US 20070035807 cho thấy cơ chế trong một máy chiếu DLP: ánh sáng đi từ một bóng đèn (1210) qua một bánh xe màu quay tròn (1230), lên chip DMD Từ chip DMD (1220) ánh sáng chiếu qua một hệ thống thấu kính (1250) lên màn hình (1270)

Hình 2.1 Công nghệ DLP của Texas instruments (Anthony DiCarlo, 2005)

2.2.3 BÓNG ĐÈN HALOGEN KIM LOẠI

Loại đèn thông thường tìm thấy trong các máy chiếu DLP là đèn halogen kim loại Loại đèn này chứa hơi thủy ngân và muối halogen kim loại như natri i ốt đua và scandi i ốt đua Ngay sau khi đạt tới nhiệt độ vận hành, các kim loại bị ion hóa và sản sinh các photon Đèn này có chứa một ống thủy tinh thạch anh nóng chảy nhỏ bao quanh bởi một cầu thủy tinh với một lớp phủ để lọc hầu hết các tia cực tím, mặc dù một vài tia vẫn lọt

Trang 35

35

qua (Wikipedia: đèn halogen kim loại, 2015) Dưới đây là hình ảnh quang phổ phát xạ của một bóng đèn halogen kim loại điển hình Như bạn có thể thấy kết quả đầu ra một số ánh sáng tia cực tím (λ <400), trong đó là ban nhạc có bước sóng có thể kích hoạt quang người khởi được sử dụng trong in ấn 3D DLP

Hình 2.2 Quang phổ của một đèn halogen 2.2.4 THIẾT BỊ VI GƯƠNG KỸ THUẬT SỐ

Công nghệ DMD được sở hữu bởi hãng Texas Instruments DMD có nguồn gốc từ công nghệ của các phương tiện giải trí truyền thông đó là công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) bằng cách sử dụng một dãy của các vi gương cơ học được sắp xếp trong không gian hai chiều, được phát minh bởi tiến sĩ Larry Hornbeck vào năm 1987 (Texas Instruments, 2015) Sau đó, vào năm 1987, khái niệm này đã được mở rộng thành DMD bởi Texas Instruments (Texas Instruments Inc, 2005) Tùy thuộc vào kích thước chip, DMD có từ 800 đến hơn 1 triệu gương siêu nhỏ trên nó Mỗi vi gương này được kết nối với bản lề đỡ và điện cực Kích thước gương là 13.7 μm x 13.7 μm và bao gồm 3 lớp cách nhau bởi hai khe hở như minh hoạ trong hình 2.7 Khoảng tách nhau giữa ba lớp cho phép gương nghiêng ở mức ±10° Hai điện cực Địa chỉ (address electrode) kết nối với SRAM được đặt theo đường chéo đối diện nhau Giữa chúng là hai bản lề xoắn kết nối với một tấm đệm vai Khi một dòng điện được cấp cho một trong các điện cực địa chỉ, các gương

Trang 36

36

có thể nghiêng mức ±10 °, tương ứng với tính năng "on" hoặc "off” trong tín hiệu kỹ thuật

số, hình 2.8 Tất cả các công việc thử nghiệm μSL trong nghiên cứu này được tiến hành bằng cách sử dụng một máy Perfactory ® Mini-đa ống kính, hình 2.9

Hình 2.3 Ba lớp của các thiết bị Vi gương kỹ thuật số DMD

(Texas Instruments Inc, 2005)

Hình 2.4 Mô tả quá trình "mở" hoặc "tắt" một tín hiệu kỹ thuật số

(Texas Instruments Inc, 2GG5) Ngày nay thiết bị này chứa một con chip có kích thước thu nhỏ với hàng triệu gương có khả năng điều khiển được 2560x1600 là độ phân giải tối đa hiện có tại thời điểm này (Texas Instruments, 2015) chip thông thường được sử dụng trong máy chiếu tiêu chuẩn là DLP5500 0.55 XGA DMD và DLP7000 0.7 XGA 2xLVDS Type-A DMD

Trang 37

37

Những con chip sử dụng độ phân giải XGA (1024x768) Bên cạnh độ phân giải, một tham

số quan trọng cho các mục đích in 3D là dải bước sóng phản xạ

Đối với chip 70 dải này là 400-700 và chip 0.55 dải này là 420-700 Texas Instruments khuyến nghị chip DMD tối ưu được sử dụng cho việc in ấn 3D có những bước sóng phản xạ là λ <400 Chúng là các chip DMD như DLP7000, DLP7000UV, DLP9500, DLP9500UV, DLP6500FYE, DLP6500FLQ, DLP9000, với "UV" trong đó phản xạ 363-420nm (Texas Instruments, 2015) nên gương phản chiếu ánh sáng ở những băng bước sóng đóng rắn và hoạt động như một bộ lọc để chỉ cho ra các bước sóng đúng

2.2.5 CÔNG NGHỆ DLP CHO IN 3D

Công nghệ DLP có thể được sử dụng để in 3D Một lớp mỏng nhựa được đông cứng bằng cách chiếu một hình ảnh lên một loại nhựa photopolymer Sau khi một lớp mỏng được đông cứng, một động cơ bước di chuyển các lớp với độ dày của một lớp đi lên hoặc xuống Một hình ảnh mới được chiếu và không ngừng cho đến khi một sản phẩm 3D được tạo thành In (Fig 5) mô tả một cái nhìn tổng quan do Texas Instruments thực hiện

Hình 2.5 Công nghệ DLP trong in 3D

Trang 38

38

2.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI

Các công nghệ in DLP đã xuất hiện một thời gian, tuy nhiên tại thời điểm này nhiều máy DLP thích hợp cho việc sử dụng với máy tính để bàn nổi lên Hiện đã có nhiều máy in DLP thương mại có sẵn và cũng có rất nhiều người xây dựng các máy in cho riêng họ Trong chương này, một vài khía cạnh của một số máy in sẽ được đánh giá vì chúng có những giải pháp riêng của mình với các vấn đề phát sinh trong công nghệ in 3D DLP từ dưới lên

2.3.1 B9 CREATOR

Máy B9 Creator hoạt động dựa trên công nghệ SLA sử dụng một máy chiếu DLP như một nguồn chiếu tia cực tím và được chiếu từ phía dưới lên Ở phiên bản 1.2 máy sử dụng máy chiếu có độ phân giải full HD giúp nâng độ phân giải in được lên đến 5 micron Trên máy có một thùng chứa liệu với thiết kế đặc biệt (hình 2.6) với một đáy nông và một đáy sâu hơn Mục đích của thiết kế này là dựa vào công nghệ tách phần vật liệu đã đóng rắn ra khỏi bề mặt đáy thùng để chuẩn bị cho quá trình đóng rắn lớp tiếp theo Phát minh này được M Joyce đệ trình và được cấp bằng sáng chế vào năm 2013 Vật thể trượt theo chiều ngang vào phần đáy sâu hơn để lột vật thể ra khỏi bề mặt sau khi lớp nhựa đã được đông cứng Đáy của bề mặt thùng chứa (hình 15 & 16) được phủ một lớp PDMS Lớp này hấp thụ oxy và tạo ra một lớp màn bôi trơn mỏng từ nhựa không được trùng hợp Lớp PDMS này nở ra do hấp thụ nhựa và bị hư tổn trong quá trình sử dụng vì vậy được xem như là một vật tư bị tiêu hao

Hình 2.6 Thùng nhựa của máy B9Creator

Trang 39

39

2.3.2 ENVISIONTEC PERFECTORY

Công nghệ Perfactory được giới thiệu bởi công ty EnvisionTec, Đức vào năm 2002 Các máy Perfactory sử dụng vi-gương DMD có khả năng lật nghiêng để điều hướng ánh sáng có một bước sóng cụ thể từ bên này sang bên kia của nhựa nhiều lần mỗi giây Perfactory System có thể chiếu một hình ảnh thang độ xám Một cảm biến đo độ sáng (sensometer) được gắn vào máy để đo và hiệu chỉnh cường độ ánh sáng trên tấm đế Các sensometer đo 48 điểm sáng trên tấm đế và sử dụng các giá trị đo để điều chỉnh cường độ ánh sáng của mặt nạ xám Sau đó các hình ảnh màu xám được tập trung bởi một hệ thống quang học lên bề mặt nhựa để định hình các chi tiết được thiết kế

Hệ thống Perfactory® được trang bị một màn trập cơ điện nhằm phơi sáng các loại nhựa trong khoản thời gian cần thiết để đóng rắn chúng Khi quá trình này bắt đầu các lớp polyme hoá đầu tiên giữa các tấm đế và bề mặt thùng được gắn vào đế có thể di chuyển theo chiều dọc Để giải phóng các lớp hóa rắn khỏi thùng chứa, các thùng chứa nghiêng ra bên ngoài, sau đó là chi tiết bong ra ra ngoài và không còn dính vào thùng Các tấm đế tiếp theo đó di chuyển theo hướng Z sau khi mỗi lớp kế nhau đông cứng, để lại một khoản cách 25-100 μm nhựa lỏng từ giữa lớp đông cứng trước đó, đến bề mặt đáy thùng chứa Bằng

Hình 2.7 Cơ chế trượt trong máy B9Creator (Joyce, 2013)

Trang 40

Hình 2.8 Máy Envisiontec Perfectory

2.3.3 CARBON3D IN LIÊN TỤC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CLIP

‘CLIP’ là chữ viết tắt của In liên pha liên tục dạng lỏng (Desimone, Ermoshkin, Ermoshkin, & Samulski, 2014) Đây là công nghệ không cần phải có các bước cơ khí để tách phần nhựa đã đóng rắn như được sử dụng trong các máy của Envisiontec và B9creator Các máy in này sử dụng một màng thấm oxy Vì oxy là một chất ức chế các phản ứng trùng hợp gốc tự do (xem photopolymer Resin: Sự ức chế bởi oxy), một độ lệch

từ nhựa không bị hóa cứng đến có thể biến cứng được thiết lập (Hình 18) Vì lớp nhựa xa nhất phía bên dưới không thể biến cứng được, nên nó không dính vào đáy của thùng nhựa

và do đó cho phép in liên tục Việc kiểm soát tốc độ của động cơ được tham chiếu với tỷ lệ

ức chế bởi oxy làm cho quá trình in liên tục là khả thi

Định dạng
Số trang	130
Dung lượng	4,73 MB