(Luận văn thạc sĩ) ảnh hưởng thông số in 3d của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đến độ bền kéo của sản phẩm

Công nghệ bồi đắp vật liệu là một quá trình dùng các vật liệu để chế tạo nên sản phẩm 3D bằng phương pháp đắp chồng từng lớp vật liệu lên nhau, từ dữ liệu thiết kế 3D đã được vẽ sẵn trên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TRUNG TÍN

ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ IN 3D CỦA CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

ÁNH SÁNG KỸ THUẬT SỐ (DLP) ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO CỦA SẢN PHẨM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

S K C 0 0 6 6 8 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TRUNG TÍN

ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ IN 3D CỦA CÔNG NGHỆ

LỜI CAM ĐOAN

Tên đề tài: “Ảnh hưởng thông số in 3D của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật

số (DLP) đến độ bền kéo của sản phẩm”

– GVHD: TS Lê Minh Tài

– Họ tên học viên: Nguyễn Trung Tín

– MSHV: 1920422; Lớp: CKM19A

– Số điện thoại liên lạc: 0764.031.945

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình do chính tôi nghiên cứu

và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020

Ký tên

NGUYỄN TRUNG TÍN

Các bạn đồng nghiệp đã đóng góp và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Gia đình và các anh chị em đã động viên giúp đỡ cả vật chất lẫn tinh thần để tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận văn

Và cuối cùng, xin gửi lời chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành công đến quý Thầy (Cô), những người thân, bạn bè và đồng nghiệp của tôi

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Hiện nay, công nghệ in 3D ứng dụng vào tất cả các lĩnh vực trong cuộc sống,

sự phát triển về công nghệ in 3D ngày càng nhiều, các sản phẩm được tạo ra từ công nghệ in 3D rất đa dạng Trong đó, công nghệ in DLP đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ in, độ chính xác và độ láng mịn của sản phẩm Nhưng chất lượng sản phẩm về mặt cơ tính của công nghệ in DLP còn cần phải được nghiên cứu và cải tiến thêm để đáp ứng nhu cầu của sử dụng Đề tài trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số in 3D của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đến độ bền kéo của sản phẩm Các thông số được nghiên cứu là độ dày lớp, độ phơi sáng, góc hình thành sản phẩm Sử dụng máy in 3D dùng công nghệ DLP để in ra các mẫu theo tiêu chuẩn ASTM – D638 và dùng máy thử kéo để kiểm tra độ bền kéo của sản phẩm Sau đó sử dụng phân tích ANOVA để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đến độ bền kéo của sản phẩm

Để xác định các thông số đầu vào, thí nghiệm thăm dò đơn yếu tố được tiến hành lần lượt với các thông số: độ dày lớp (D), thời gian phơi sáng (t) và góc hình thành sản phẩm góc anpha (α), góc beta (β) Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho cho thấy hai thông số là độ dày lớp (D) và góc beta (β) có ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền kéo nên tác giả chỉ chọn hai thông số này để làm thí nghiệm đa yếu tố để xác định được các chỉ số thích hợp của các thông số đầu vào nhằm đạt độ bền kéo cao nhất

Kết quả xác định được:

- Ảnh hưởng của độ dày lớp D (mm) và góc beta β (độ) đến độ bền kéo BK (MPa) của sản phẩm được biểu diễn qua phương trình sau:

BK = 26.1058 + 320.076*D + 0.1037*β - 4304.63*D^2 + 0.4*D*β - 0.001405* β^2 Dựa trên kết quả thực nghiệm và giải bài toán tối ưu đã cho thấy thông số tối ưu cho độ bền kéo của sản phẩm đạt giá trị cao nhất khi độ dày lớp là D = 0.039155 (mm) và góc beta β = 42.4755o thì đạt được chỉ số tối ưu độ bền kéo BK = 34.5739 (MPa)

ABSTRACT

Currently, 3D printing technology is apply into all fields of the life, the development of 3D printing technology is many, products are made from 3D printing technology are very diverse In particular, DLP printing technology meets the requirements of print speed, accuracy and smoothness of the product But the mechanical product quality of DLP printing technology still needs to be further researched and improved to meet the needs of use The thesis presents the results of researching the influence of 3D printing parameters of digital light processing technology (DLP) on the tensile strength of the product The parameters studied are layer thickness, exposure, angle of product formation 3D printer using DLP technology is performed to print out the samples according to ASTM - D638 and use the tensile testing machine to check the tensile strength of the product Then use ANOVA analysis to assess the influence of the parameters on the tensile strength of the product

In order to determine the input parameters, the single-element probe experiment was conducted in turn with the parameters: layer thickness (D), exposure time (t) and angle alpha (α) and beta angle (β) The single-factor experimental results show that the two parameters, layer thickness (D) and beta angle (β), have the most influence on tensile strength, so the author only chose these two parameters for multi-weak testing factors to determine the appropriate index of the input parameters to achieve the highest tensile strength

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LVTN i

LỜI CAM ĐOAN ix

LỜI CẢM ƠN x

TÓM TẮT xi

ABSTRACT xii

MỤC LỤC xiii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xvi

DANH SÁCH CÁC HÌNH xvii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xx

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

2.1 Ý nghĩa khoa học 2

2.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3.1 Mục tiêu chung 2

3.2 Mục tiêu cụ thể 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4.1 Đối tượng nghiên cứu 3

4.2 Phạm vi nghiên cứu 3

5 Điểm mới của luận văn 3

6 Kết cấu của luận văn 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 5

Giới thiệu về công nghệ in 3D 5

Các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay 16

1.2.1 Công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) 16

1.2.2 Công nghệ SLA (Stereo Lithography Aparatus) 17

1.2.3 Công nghệ DLP (Digital Light Processing) 18

1.2.4 Công nghệ in 3D JP 18

1.2.5 Công nghệ tạo hình liên tục CLIP (Continuous Liquid Interface Production) 19

1.2.6 Công nghệ in 3D SLS 20

1.2.7 Công nghệ in 3D 3DP 21

1.2.8 Công nghệ in 3D LOM 21

Các nghiên cứu trong và ngoài nước 22

1.3.1 Nghiên cứu trong nước 22

1.3.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước 22

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

Nội dung nghiên cứu 24

Phương pháp nghiên cứu 24

2.2.1 Phương pháp kế thừa 24

2.2.2 Phương pháp thu thập thông tin 24

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 25

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30

Nguyên lý chung của công nghệ in 3D 30

Công nghệ in 3D DLP 31

3.2.1 Nguyên lý in của công nghệ DLP 31

3.2.2 Ưu và nhược điểm của công nghệ DLP 33

3.2.3 Ứng dụng công nghệ in 3D bằng phương pháp DLP 33

Nguyên lý đóng rắn của nhựa epoxy bằng tia UV 36

3.3.1 Công thức hóa học nhựa epoxy 36

3.3.2 Tia UV 38

3.3.3 Nguyên lý đóng rắn bằng tia UV 39

Các thông số kỹ thuật của máy in 3D (DLP) 40

3.4.1 Vật liệu tạo mẫu 40

3.4.2 Độ dày lớp (Layer Thickness) 42

3.4.3 Thời gian phơi sáng (Exposure Time) 43

3.4.4 Góc hình thành sản phẩm 43

3.4.5 Cấu trúc in bên trong đối tượng (Infill Pattern) 44

3.4.6 Vật liệu hỗ trợ 45

Chương 4 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 48

Các thông số khi tiến hành in 48

4.1.1 Độ dày lớp (Layer Thickness) 48

4.1.2 Thời gian phơi sáng (Exposure Time) 49

4.1.3 Góc hình thành sản phẩm 49

Thiết kế thí nghiệm 50

4.2.1 Kích thước chi tiết mẫu đề xuất 50

4.2.2 Các bước thực nghiệm 50

Kết quả thực nghiệm 52

4.3.1 Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố 52

4.3.2 Kết quả thí nghiệm đa yếu tố 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

1 Kết luận 69

2 Kiến nghị 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 76

DLP Digital Light Processing Xử lý ánh sáng kỹ thuật số

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Một sản phẩm của công nghệ in 3D 6

Hình 1.2: Máy in 3D có thể in mạch điện tử [4] 8

Hình 1.3: Bộ váy in 3D được diễn trên sàn catwalk [5] 8

Hình 1.4: Xe Urbee [3] 9

Hình 1.5: Xe “Divergent Microfactories Blade”[6] 9

Hình 1.6: Máy bay chim ưng biển MV-22 của Mỹ[6] 10

Hình 1.7: Tên lửa được in 3D[4] 10

Hình 1.8: Máy in 3D Made in Space thử nghiệm trên tàu giả lập không trọng lượng Vomit Comet[4] 11

Hình 1.9: Thức ăn được làm từ máy in 3D[4] 12

Hình 1.10: Công nghệ in 3D là công cụ hỗ trợ đắc lực cho y học [7] 12

Hình 1.11: Hình ảnh tai, tay, hàm răng được chế tạo bằng công nghệ in 3D[4] 13

Hình 1.12: Căn biệt thự được “in” bằng công nghệ in 3D [6] 13

Hình 1.13: Cầu được xây dựng bằng công nghệ in 3D [6] 14

Hình 1.14: Tạo ra các mô hình kiến trúc khi sử dụng công nghệ in 3D 14

Hình 1.15: Công nghệ in 3D khơi nguồn sáng tạo cho trẻ em [7] 15

Hình 1.16: In 3D và cuộc cách mạng trong lớp học [4] 15

Hình 1.17: Những chi tiết trong các đồ vật được tạo ra nhờ in 3D[4] 16

Hình 1.18: Máy in FDM 17

Hình 1.19: Sản phẩm của máy in FDM 17

Hình 1.20: Máy in SLA[10] 17

Hình 1.21: Máy in 3D Digital Light Processing (DLP)[1] 18

Hình 1.22: Công nghệ in 3D JP [12] 19

Hình 1.23: Công nghệ tạo hình liên tục (CLIP)[10] 20

Hình 1.24: Một số dạng sản phẩm của SLS 20

Hình 1.25: Công nghệ in 3D 3DP 21

Hình 1.26: Hình dáng máy in 3D công nghệ LOM 22

Hình 2.1: Nhựa lỏng Anycubic[29] 25

Hình 2.2: Máy in 3D Anycubic LCD photon 26

Hình 2.3: Máy thử nghiệm kéo nén vạn năng 1000PC[27] 27

Hình 2.4: Mô hình bài toán hộp đen mô tả quá trình nghiên cứu 28

Hình 3.1: Nguyên lý công nghệ DLP [30] 33

Hình 3.2: Tạo mẫu ngành kiến trúc 34

Hình 3.3: Tạo mẫu nghệ thuật 34

Hình 3.4: Tạo mẫu kim hoàn 35

Hình 3.5: Tạo mẫu trong y khoa 35

Hình 3.6: Tạo mẫu phức tạp 35

Hình 3.7: Công thức hóa học nhựa Epoxy (preolyme và monome) 36

Hình 3.8: Công thức hóa học nhựa Epoxy nền Bisphenol – A 37

Hình 3.9: Công thức hóa học Bisphenol A 37

Hình 3.10: Công thức hóa học Epichlorohydrin 37

Hình 3.11: Công thức hóa học nhựa Epoxy nền Bisphenol – F 37

Hình 3.12: Công thức hóa học nhựa epoxy phenol novolac (EPN) 38

Hình 3.13: Công thức hóa học nhựa epoxy cresol novolac (ECN) 38

Hình 3.14: Nguyên lý đóng rắn bằng tia UV 40

Hình 3.15: Máy in 3D DLP 41Hình 3.16: In nhân vật Game[18] 41Hình 3.17: In mô hình hàm răng[18] 42Hình 3.18: In mô hình chiếc nhẫn[18] 42

Hình 3.19: Thiết lập góc α= 45o với mẫu thử kéo 44

Hình 3.20: Thiết lập góc β = 45o với mẫu thử kéo 44Hình 3.21: Tỷ lệ lấp đầy từ 20% (trái), 50% (giữa) và 75% (phải)[21] 45Hình 3.22: Mật độ điền đầy 8, 15, 28, 45% [20] 45Hình 3.23: Phần nhô ra nghiên 1 góc lớn hơn 45o cần vật liệu hỗ trợ 46Hình 3.24: Mẫu in sử dụng support 47Hình 4.1: Kích thước mẫu kéo 50Hình 4.2: Mẫu sau khi in 51Hình 4.3: Mẫu kéo trước và sau khi thử kéo 51Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của độ dày lớp đến độ bền kéo 55Hình 4.5: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của thời gian phơi sáng 57Hình 4.6: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của góc hình thành sản phẩm 59Hình 4.7: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của góc hình thành sản phẩm 61Hình 4.8: Đồ thị quan hệ giữa độ bền kéo với độ dày lớp 66

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Độ dày của các lớp 48Bảng 4.2: Thời gian phơi sáng 49Bảng 4.3: Các góc hình thành sản phẩm 49Bảng 4.4: Kết quả độ bền kéo cho các lớp, thời gian phơi sáng và góc hình thành sản phẩm khác nhau 52Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo độ dày lớp 53Bảng 4.6: Kết quả phân tích phương sai của độ dày lớp (D) 54Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo thời gian phơi sáng 56Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo góc anpha (α) 57Bảng 4.9: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo góc beta (β) 59Bảng 4.10: Kết quả phân tích phương sai góc beta(β) 60Bảng 4.11: Miền thực nghiệm 62Bảng 4.12: Ma Trận quy hoạch thực nghiệm phương án quay bậc 2 63Bảng 4.13: Bảng ma trận thực nghiệm 64Bảng 4.14: Kết quả đa yếu tố của độ dày lớp và góc beta đến độ bền kéo của nhựa resin 64Bảng 4.15: Kết quả phân tích phương sai của độ bền kéo (BK) 65Bảng 4.16: Kết quả bài toán tối ưu 67Bảng 4.17: Kết quả thí nghiệm kiểm chứng chỉ số tối ưu của các thông số 68

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Công nghệ in 3D hoặc được gọi là Công nghệ bồi đắp vật liệu (AM – Additive Manufacturing) được thế giới coi là một trong những công nghệ quan trọng của cách mạng công nghiệp hiện nay Công nghệ bồi đắp vật liệu là một quá trình dùng các vật liệu để chế tạo nên sản phẩm 3D bằng phương pháp đắp chồng từng lớp vật liệu lên nhau, từ dữ liệu thiết kế 3D đã được vẽ sẵn trên phần mềm CAD (Computer Aided Design) Với công nghệ bồi đắp này giúp các nhà thiết kế có thể tạo ra các sản phẩm chính xác từ mô hình 3D CAD với độ phức tạp cao trong khoảng thời gian ngắn và chi phí thấp hơn so với các công nghệ chế tạo truyền thống Các sản phẩm của công nghệ in 3D ngày càng nhiều Trong những năm gần đây thì công nghệ in 3D đã được các nhà nghiên cứu triển khai đưa vào các lĩnh vực công nghiệp, khoa học và cuộc sống xã hội hàng ngày Cho đến nay công nghệ in 3D đã đạt được nhiều thành công lớn và phong phú

Trong đó, các công nghệ in 3D từ vật liệu lỏng đang là hướng phát triển của cả thế giới nên sản phẩm được sản xuất từ công nghệ in 3D từ vật liệu lỏng rất đa dạng Trong các công nghệ in 3D từ vật liệu lỏng thì công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ in, độ chính xác, độ phức tạp và độ láng mịn của sản phẩm Tuy nhiên, chất lượng sản phẩm của công nghệ in 3D này còn cần phải được nghiên cứu và cải tiến thêm để có thể đáp ứng nhu cầu của sử dụng, đặc biệt là cơ tính của sản phẩm

Để góp phần định hướng giảm chi phí, thời gian chế tạo và nâng cao chất lượng của các sản phẩm in 3D bằng công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) nên đề tài

“Ảnh hưởng thông số in 3D của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đến độ bền kéo sản phẩm” đã được triển khai và thực hiện Kết quả của đề tài sẽ góp phần

phục vụ các nghiên cứu về in 3D bằng công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP), đồng thời giúp cho các cơ sở chế tạo máy và sản xuất các sản phẩm in 3D sử dụng công nghệ công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) có các thông số công nghệ

khả thi áp dụng vào quy trình chế tạo, sản xuất phù hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm in

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính với các yếu

tố quyết định tới khả năng ảnh hưởng đến độ bền kéo, từ đó đưa ra được vùng thông

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến độ bền kéo của sản phẩm khi in bằng công nghệ DLP theo tiêu chuẩn ASTM D-638;

- Dùng nhựa lỏng Anycubic để chế tạo mẫu kéo bằng phương pháp công nghệ DLP;

- Kiểm tra và phân tích độ bền kéo của sản phẩm in 3D bằng công nghệ DLP;

- Tìm ra quy luật thay đổi của độ bền kéo phụ thuộc vào các yếu tố bằng phân tích hồi quy và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số chính đến độ bền kéo của sản phẩm nhựa của công nghệ DLP bằng phương pháp thực nghiệm

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

- Dùng nhựa lỏng Anycubic để in các mẫu thực nghiệm;

- In thực nghiệm các chi tiết mẫu theo tiêu chuẩn ASTM D-638, được kiểm tra đánh giá độ bền kéo bằng phương pháp thử kéo

- Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số chính đến độ bền kéo của sản phẩm nhựa của công nghệ DLP bằng phương pháp thực nghiệm

5 Điểm mới của luận văn

Hiện nay, công nghệ in 3D bằng phương pháp DLP còn mới ở Việt Nam Các nghiên cứu về chất lượng sản phẩm được in bằng công nghệ in 3D bằng phương pháp DLP còn ít Vì vậy nghiên cứu ảnh thưởng các thông số in 3D của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đến độ bền kéo của sản phẩm giúp hệ thống hóa và bổ

sung cơ sở lý thuyết về công nghệ in 3D của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) nói riêng và công nghệ in 3D nói chung của nước ta

6 Kết cấu của luận văn

Nội dung nghiên cứu của đề tài được cầu trúc trong 4 chương với các trình bày chi tiết như sau:

- Mở đầu

Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài cũng như giới hạn phạm vi nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, …

- Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Giới thiệu công nghệ in AM, giới thiệu vật liệu in trong công nghệ in 3D, các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay, …

- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, kế hoạch thực hiện của đề tài

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày nguyên lý chung của công nghệ in 3D, công nghệ DLP, nguyên lý đóng rắn của nhựa expoxy bằng tia UV,

- Chương 4: Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu

Trình bày các thông số công nghệ khi in sử dụng công nghệ DLP, thiết kế thực nghiệm, kết quả thực nghiệm

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Giới thiệu về công nghệ in 3D

Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau dùng để nói về công nghệ bồi đắp vật liệu Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ Công nghệ in 3D trái ngược với công nghệ cắt gọt truyền thống dùng, công nghệ in 3D là một quá trình sử dụng các vật liệu để chế tạo ra mô hình 3D bằng phương pháp đắp chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau[1]

In 3D là một quá trình chế tạo một vật thể ba chiều từ mô hình 3D kỹ thuật số được xây dựng bởi phần mềm CAD In 3D bao gồm các công đoạn khác nhau được kết hợp với nhau để tạo ra một sản phẩm ba chiều Khi tiến hành in 3D, các lớp nguyên liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng trong sự kiểm soát của máy tính để tạo ra các mô hình Đầu tiên, ta chuẩn bị ngay trước khi in một bản thiết kế vật thể 3D của đối tượng bạn muốn in Vật thể 3D này có thể được tạo bằng phần mềm CAD hoặc với máy quét 3D Tiếp theo, khi mô hình vật thể đã được hoàn thiện,

ta dùng phần mềm chia nhỏ mẫu thiết kế thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông tin đó đến các thiết bị in 3D Sau đó, máy in 3D sẽ tự chế tạo vật thể theo từng lớp từ trên xuống dưới hoặc từ dưới lên trên cho đến khi vật thể cần sản xuất được hoàn thiện

Sau khi sản phẩm được máy in xong chúng còn được trải qua khâu hoàn thiện sản phẩm Có thể là khâu loại bỏ các giá đỡ, bụi bẩn hoặc các vật liệu khác bám trên sản phẩm Hoặc các sản phẩm được thiêu kết để đạt được độ hoàn hảo trên sản phẩm Ngành công nghiệp in 3D ngày càng đổi mới về phần cứng cũng như các vật liệu và quy trình để tạo ra các đối tượng hoặc các bộ phận Tùy thuộc vào nhiều yếu

tố như ngân sách, thiết kế hoặc chức năng, việc chọn quy trình in 3D phù hợp cũng như chất liệu phù hợp là rất quan trọng In 3D có thể tạo ra nhiều đối tượng in 3D khác nhau mà trước đây chỉ được chế tạo thông qua các phương pháp sản xuất hàng loạt

Hình 1.1: Một sản phẩm của công nghệ in 3D

Ưu và nhược điểm của công nghệ in 3D

In 3D có rất nhiều ưu điểm so với các phương pháp cắt gọt truyền thống Khi

áp dụng công nghệ in 3D, các ý tưởng của nhà thiết kế được xây dựng, tùy chỉnh trên các phần mềm thiết kế sau đó sử dụng phần mềm cắt lát để chia mô hình thành từng lớp nhỏ tùy theo nhà thiết kê Các tập tin thiết kế đó được chuyển trực tiếp tới một bộ phận hoàn chỉnh sản phẩm và tiến hành in sản phẩm Như vậy, quá trình in 3D được rút ngắn nhiều bước so với sản xuất truyền thống Do đó, chi phí, thời gian để sản xuất một sản phẩm giảm đi rất nhiều

In 3D cũng có thể tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu chế tạo sản phẩm, làm giảm lượng vật liệu bị lãng phí trong sản xuất và tạo ra các vật thể có độ phức tạp hoặc sản phẩm không thể sản xuất với các kỹ thuật truyền thống thông thường Công nghệ in 3D còn ưu điểm nổi bật là tạo ra mẫu một cách nhanh chóng Công nghệ này có thể chế tạo một sản phẩm hoàn thiện với thời gian ngắn Bình thường, một sản phẩm mới được tạo ra mất khoảng từ 1 – 72 giờ, tùy thuộc vào cấu trúc và độ phức tạp của sản phẩm Nhưng khi so với thời gian mà một sản phẩm được tạo ra từ các công nghệ chế tạo truyền thống thì nó nhanh hơn rất nhiều Vậy nên các sản phẩm được tạo ra tốn ít chi phí và thời gian, đáp ứng kịp thời nhu cầu sử dụng Công nghệ in 3D ngày càng phát triển đa dạng, các sản phẩm in 3D được tạo ra với nhiều chủng loại khác nhau về vật liệu, dạng khối… Máy in 3D có kích thước rất khác nhau, đa dạng về chủng loại, từ những máy có kích thước có thể đặt trong

nhà, hộ gia đình với không gian nhỏ cho đến những máy có kích thước lớn dùng trong các nhà máy sản xuất

Công nghệ in 3D có thể in được sản phẩm với các nguyên liệu khác nhau trong một lần in Ví dụ như sử dụng công nghệ in 3D DLP ta có thể in nhiều loại nhựa có tính chất khác nhau lên một sản phẩm tùy theo mục đích sử dụng và thiết kế của nhà sản xuất Các sản phẩm tạo ra cũng có độ chính xác nhất định tùy thuộc từng loại công nghệ in mà sản phẩm có độ chính xác cao hay thấp

Tóm lại, công nghệ in 3D có những ưu điểm chính sau: Tốc độ tạo ra sản phẩm rất nhanh so với công nghệ truyền thống; Chi phí sản xuất thấp; Đa dạng về vật liệu tạo ra sản phẩm và các ứng dụng rộng rãi; In được các vật có cấu tạo hình học phức tạp trong một lần in; Sản phẩm được tạo ra từ công nghệ là đa dạng màu sắc…

Về các hạn chế hiện tại của công nghệ in 3D, nó rất khác nhau tùy theo từng loại công nghệ in, bao gồm tốc độ in của một số công nghệ chưa cao so với yêu cầu đặt ra, kích thước sản phẩm in bị hạn chế, các chi tiết có độ sai lệch chưa đạt do hạn chế về độ phân giải, độ bền của các sản phẩm cũng chưa đạt yêu cầu cao

Công nghệ in 3D hiện nay đã được ứng dụng vào tất cả các lĩnh vực trong cuộc sống và ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như: hàng không, y tế, giáo dục, kiến trúc, trang sức, ô tô, điện tử, quân đội Mặc dù là công nghệ mới được phát triển trong thời gian gần đây công nghệ in 3D đã đạt được những thành tựu đáng

kể Cụ thể một số thành công trong nghiên cứu, đã được triển khai trong các lĩnh vực của ở các nước về công nghệ in 3D như sau:

Trong ngành công nghiệp điện tử:

Trong công nghiệp điện tử máy in 3D được sử dụng để sản xuất các sản phẩm phức tạp và kết hợp các vật liệu khác nhau để tạo ra sản phẩm theo mục đích sử dụng

đã và đang là trào lưu phát triển của ngành công nghiệp này Với công nghệ này các chi tiết nhỏ phức tạo được sản xuất ra một cánh nhanh chóng và chính xác hơn

Hình 1.2: Máy in 3D có thể in mạch điện tử [4]

Trong công nghiệp thời trang:

Công nghệ in 3D còn len lỏi vào trong ngành may mặc thời trang Thậm chí có những buổi trình diễn thời trang mà người người mẫu trình diễn những trang phục được sản xuất hoàn toàn bằng công nghệ in 3D

Hình 1.3: Bộ váy in 3D được diễn trên sàn catwalk [5]

Trong công nghiệp ô tô:

Tưởng chừng như công nghệ in 3D không thể xâm nhập vào ngành công nghiệp

ô tô vì đây là ngành chuyên sản xuất những bộ phận động cơ cao cấp, nhưng thực tế hiện nay đã có những chiếc xe được sản xuất ra từ công nghệ in 3D Minh chứng cho điều này thì một chiếc xe tên là Urbee đã được sản xuất từ công nghệ in 3D

Hình 1.5: Xe “Divergent Microfactories Blade”[6]

Trong nghành công nghiệp hàng không:

Mỹ chế tạo máy bay “Chim ưng biển” MV-22 bằng Công Nghệ In 3D của hải

quân Mỹ đánh dấu sự phát triển của công nghệ in 3D Công nghệ in 3D còn có thể dùng để sản xuất ra các cấu kiện theo mẫu chiếc MV-22 Với công nghệ in 3D nhiều lớp vật liệu mỏng đắp chồng lên nhau và được liên kết bằng các chất phụ gia giúp

hình dáng của sản phẩm đạt đến mức hoàn hảo Máy in đáp ứng các yêu cầu phức tạp, làm cho nó mạnh hơn và nhẹ hơn trong một thời gian ngắn Các bộ phận máy bay được in bằng công nghệ 3D nên nhẹ hơn

Hình 1.6: Máy bay chim ưng biển MV-22 của Mỹ[6]

Bên cạnh đó, công nghệ in 3D cũng được áp dụng vào sản xuất các loại vũ khí đặc biệt dùng cho ngành công nghiệp quốc phòng để giảm chi phí Với công nghệ in 3D ta hoàn toàn có thể in được một khẩu súng hoặc một tên lửa mang tính sát thương cao không khác gì nhiều so với vũ khí thông thường

Hình 1.7: Tên lửa được in 3D[4]

Trong ngành hàng không vũ trụ:

Hiện nay ứng dụng công nghệ in 3D rất nhiều trong cuộc sống Vì vậy việc đưa các máy in 3D ra ngoài không gian đang là những ý tưởng táo bạo Dựa vào máy in 3D này các nhà du hành vũ trụ có thể tự mình khắc phục những hư hỏng thông thường

của các máy móc thiết bị trong khi đang thực hiện chuyến du hành giúp rút ngắn thời gian sửa chữa và có thể tiếp tục du hành

Hình 1.8: Máy in 3D Made in Space thử nghiệm trên tàu giả lập không trọng

lượng Vomit Comet[4]

Trong công nghiệp thực phẩm:

Trong giai đoạn hiện nay sự phát triển nhanh của xã hội, con người ngày càng bận rộn với công việc của mình và việc giành thời gian để chế biến một món ăn là một điều rất khó khăn Để rút ngắn thời gian này, người ta lại nghĩ tới việc sử dụng những chiếc máy in 3D để tạo ra một món ăn vừa đẹp mắt và tốn ít thời gian là cần thiết Từ đó, những chiếc máy in 3D được đưa vào trong công việc sản xuất thực phẩm ngày càng nhiều Những chiếc máy in thực phẩm 3D được lập trình và tạo ra các sản phẩm như: sô-cô-la, bánh pizza, mỳ, kẹo…Máy in thực phẩm này tạo ra các thực phẩm thông qua các vòi phun, các vòi phun này nhả ra các thực phẩm ăn được

ở dạng lỏng và đắp chồng từng lớp lên nhau để tạo hình dáng bắt mắt cho thực phẩm với nhiều màu sắc đa dạng từ đó kích thích thị hiếu và nhu cầu của khách hàng

Hình 1.9: Thức ăn được làm từ máy in 3D[4]

Trong y tế:

Trong lĩnh vực y học, độ chính xác là yếu tố quan trọng trong y học Mô hình

mô phỏng não, mô phỏng tim, mô phỏng các khớp xương 3D có độ chính xác cao sẽ giúp các bác sĩ có cái nhìn trực quan từ đó việc lên kế hoạch, tiến hành phẫu thuật sẽ

dễ dàng và có tỉ lệ thành công cao hơn

Hình 1.10: Công nghệ in 3D là công cụ hỗ trợ đắc lực cho y học [7]

Các sản phẩm của công nghệ in 3D được dùng trong việc hỗ trợ đào tạo đội ngũ

y bác sĩ mới đạt hiệu quả cao

Công nghệ in 3D trong y học có những đóng góp to lớn trong việc tạo ra các bộ phận thay thế cho những người khuyết tật như sản xuất ra các bộ phận: tai, mũi, xương, răng, chân, tay …

Hình 1.11: Hình ảnh tai, tay, hàm răng được chế tạo bằng công nghệ in 3D[4]

Trong kiến trúc và xây dựng:

Việc thiết kế tạo ra các mô hình thu nhỏ trong ngành kiến trúc và xây dựng là rất cần thiết để có thể phát triển các dự án và thu hút vốn đầu tư Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành kiến trúc giúp tạo ra các mô hình thiết kế một cách nhanh chóng và chính xác hơn rút ngắn được thời gian thiết kế Thực tế hiện nay đã

có những máy in 3D khổng lồ xử dụng vật liệu phổ biến là nhựa và bê tông, dùng để xây dựng các ngôi nhà Áp dụng phương pháp in 3D trong xây dựng giúp cải thiện đáng kể về thời gian, chất lượng, chi phí, đặc biệt là nhân công lao động

Hình 1.12: Căn biệt thự được “in” bằng công nghệ in 3D [6]

Công nghệ in 3D có thể xây dựng nên những công trình có cấu trúc ấn phức tạp những vẫn tồn tại theo thời gian và đảm bảo an toàn cho lao động rút ngắn được chi phí, thời gian Công nghệ in 3D đang dần phát triển trở thành một trào lưu xây dựng mới của cả thế giới

Hình 1.13: Cầu được xây dựng bằng công nghệ in 3D [6]

Nhờ sự giúp đỡ của công nghệ in 3D việc tạo ra các mô hình kiến trúc cực kỳ đơn giản giúp nhà thiết kế có nhiều thời gian cho công việc thiết mới

Hình 1.14: Tạo ra các mô hình kiến trúc khi sử dụng công nghệ in 3D

Trong giáo dục:

Việc khơi nguồn sáng tạo, trí tưởng của học sinh, sinh viên trong ngành giáo dục đang là nhiệm vụ khó khăn Với áp dụng công nghệ in 3D vào giảng dạy đang

bước phát triển hiện nay

Hình 1.15: Công nghệ in 3D khơi nguồn sáng tạo cho trẻ em [7]

Khơi gợi hứng thú, tạo điều kiện thuận lợi phát triển chương trình giáo dục STEM (Science-Technology-Engineering- Mathematics), kích thích việc thúc đẩy kỹ năng giải quyết vấn đề, tiếp cận với các đối tượng học tập mới, mở ra các khả năng học tập mới đang là những lợi ích thiết thực mà công nghệ in 3D mang lại cho giáo dục

Hình 1.16: In 3D và cuộc cách mạng trong lớp học [4]

Trong gia đình:

Việc tạo ra các sản phẩm vật dụng sử dụng hàng ngày theo ý thích riêng của mỗi người, đang kích thích các hộ gia đình hướng tới sở hữu những chiếc máy in nhỏ gọn với mức chi phí phù hợp Nhờ những chiếc máy in 3D này các gia đình có thể tự tạo ra các vật dụng và vật trang trí phù hợp với không gian nhà mình Đáp ứng được các nhu cầu đặc biệt theo ý thích của bản thân

Hình 1.17: Những chi tiết trong các đồ vật được tạo ra nhờ in 3D[4]

Các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay

1.2.1 Công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling)

Công nghệ in 3D này là phương pháp in phổ biến nhất do số lượng máy in có sẵn trên thị trường FDM là một quy trình in 3D giá cả phù hợp so với các công nghệ

in 3D khác Quá trình này hoạt động bằng cách vật liệu được nấu chảy và đùn qua một vòi phun để in 3D một mặt cắt ngang của một vật thể mỗi lớp Bệ đỡ hạ thấp cho mỗi lớp mới và quá trình này lặp lại cho đến khi đối tượng được hoàn thành Độ dày lớp quyết định chất lượng của bản in 3D Một số máy in 3D FDM có hai đầu in trở lên để in nhiều màu và sử dụng hỗ trợ cho các phần nhô ra của bản in 3D phức tạp

Hình 1.18: Máy in FDM Hình 1.19: Sản phẩm của máy in FDM

1.2.2 Công nghệ SLA (Stereo Lithography Aparatus)

Công nghệ này sử dụng một thùng nhựa photopolymer có thể chữa được Tấm

đế xây dựng giảm dần theo từng bước nhỏ và polymer lỏng tiếp xúc với ánh sáng nơi tia cực tím vẽ một mặt cắt ngang theo từng lớp Quá trình được lặp lại cho đến khi một mô hình đã được tạo ra

Đối tượng được in 3D bằng cách kéo đối tượng ra khỏi nhựa (từ dưới lên), tạo không gian cho nhựa chưa được xử lý ở dưới cùng của thùng chứa và sau đó có thể tạo thành lớp tiếp theo của đối tượng Một phương pháp khác là in 3D đối tượng bằng cách kéo nó xuống bể với lớp tiếp theo được đắp lên trên

Hình 1.20: Máy in SLA[10]