nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in đến cơ tính của sản phẩm thực hiện bằng phương pháp fdm

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ BUỒNG IN ĐẾN CƠ TÍNH CỦA SẢN

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ in 3D còn được gọi là công nghệ sản xuất bồi đắp (AM – Addictive Manufacturing) là công nghệ sản xuất dựa theo hình dạng sản phẩm đã được thiết kế sẵn trên phầm mềm CAD (Computer-aided Design) bằng cách đắp dần các lớp vật liệu tạo ra sản phẩm theo từng lớp, khác với những phương pháp chế tạo trước đây như cắt gọt, đúc hay ép khuôn,… Công nghệ in 3D giúp cho việc chế tạo sản phẩm trở nên nhanh chóng, giảm chi phí và tiêu hao vật liệu trong sản xuất và có thể tạo ra được những sản phẩm khó chế tạo hoặc không thể sản xuất với những phương pháp sản xuất truyền thống.Với những ưu điểm trên, công nghệ in 3D ngày càng trở nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất cũng như đời sống hằng ngày Ngày nay, công nghệ in 3D đã được phát triển thành nhiều công nghệ in như: Fused Deposition Modeling (FDM), Steoreolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), Laminated Object Manufacturing (LOM),…Trong đó, công nghệ FDM là công nghệ in phát triển mạnh mẽ và phổ biến nhất hiện nay vì thời gian tạo mẫu nhanh chóng, giá thành máy và vật liệu in rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc [1]

Hình 1: Sản phẩm in 3D (Nguồn: https://formlabs.com/blog/3d-printing-materials/ )

Dựa trên những ưu điểm vượt trội, công nghệ in FDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: y tế, điện tử, công nghiệp, kiến trúc, giáo dục,

… Vì vậy, chất lượng của sản phẩm in bằng phương pháp FDM càng phải được nghiên cứu và phát triển thêm để đáp ứng được nhu cầu của khách hàng, đặc biệt là cơ tính của sản phẩm in.

Lý do chọn đề tài

Yếu tố nhiệt độ môi trường hoặc buồng in ảnh hưởng đặc biệt đến cơ tính của nhựa cũng như sản phẩm in 3D nhưng lại có rất ít nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in Một số ít các nhóm nghiên cứu đã chỉ ra sự ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ buồng in đến cơ tính của sản phẩm in Nhóm nghiên cứu của Abrheem Hadeeyah và công sự [22] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in đến độ chính xác kích thước của mẫu in sử dụng vật liệu ABS với phương pháp FDM Kết quả cho thấy độ chính xác về kích thước của mẫu in khi so sánh giữa máy in không có buồng in và máy in có buồng kín là như nhau, bên cạnh đó mẫu in có chất lượng bề mặt tốt hơn khi bằng máy in có buồng kín Tác giả còn chỉ ra rằng nhiệt độ buồng in càng cao thì độ bền kéo càng giảm Nghiên cứu của Supaphorn Thumson [24] đã chỉ ra nhiệt độ bên trong buồng in có thể thay đổi trong suốt quá trình in, điều này ảnh hưởng đến độ bám dính giữa các lớp in của vật thể in 3D Kết quả thử nghiệm cho thấy khi nhiệt độ buồng in tăng trên 40 °C sẽ cải thiện sự liên kết giữa các lớp in của mẫu in sử dụng vật liệu PLA dẫn đến cải thiện độ cứng của mẫu in Một nghiên cứu khác của Yachen Zhao và cộng sự [2] đã nghiên cứu về đặc tính cơ học của vật liệu PEEK bằng phương pháp in FDM, tác giả đã thử nghiệm in mẫu in với các mức nhiệt độ buồng in khác nhau, cụ thể là 50 °C, 65 °C và 80 °C Kết quả của nghiên cứu cho thấy nhiệt độ buồng in, nhiệt độ của đầu phun có mối quan hệ chặt chẽ với các tính chất cơ học của mẫu in và trong phạm vi thử nghiệm của nhiệt độ buồng in thì độ bền kéo đạt giá trị tối đa ở 80 °C

Hiểu rõ vấn đề ấy, đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in đến cơ tính của sản phẩm thực hiện bằng phương pháp FDM” đã được nhóm em thực hiện Kết quả của đề tài có thể góp phần giúp cho các công ty doanh nghiệp sản xuất sản phẩm bằng công nghệ FDM có được thông số nhiệt độ phù hợp, từ đó có thể chọn lọc hoặc điều chỉnh nhiệt độ phù hợp theo yêu cầu sản xuất.

Quá trình phát triển và nghiên cứu công nghệ in 3D trên thế giới

- Về quá trình phát triển :

Ngày nay, công nghệ in 3D đã được ứng dụng rộng rãi, phổ biến trên toàn thế giới và đang thu hút được sự chú ý của chính phủ ở các nước Tiêu biểu như:

- Hoa Kỳ: Tổng thống Obama đã đề cấp đến công nghệ in 3D với vai trò và tiềm năng của công nghệ này đến cách mạng hóa phương pháp sản xuất trong Thông Điệp liên bang năm 2013 và 2014 Viện công nghệ sản xuất phụ trợ (NAMII) được thành lập năm 2012 với mục tiêu thúc đẩy công nghệ in 3D trong các ngành sản xuất ở Mỹ Năm 2014, NAMII đã đầu tư 9 triệu USD cho các dự án nghiên cứu ứng dụng in 3D, bên cạnh đó các chủ dự án đã góp 19.3 triệu USD ngân sách cho các dự án về công nghệ in 3D Vì vậy, tổng vốn đầu tư của chính phủ và tư nhân trong lĩnh vực này đã lên đến gần 30 triệu USD vào năm 2014 [1]

- Trung Quốc: Chính phủ Trung Quốc tài trợ 6.5 triệu USD cho các dự án nghiên cứu về công nghệ in 3D Bên cạnh đó, Liên minh công nghệ in 3D Trung Quốc đã được thành lập để hỗ trợ công nghệ sản xuất in 3D với kế hoạch xây dựng 10 trung tâm công nghệ cao về in 3D ở các thành phố lớn ở nước này với vốn đầu tư 3.3 triệu USD cho mỗi trung tâm Ngoài ra, tháng 6 năm 2013 Chính phủ nước này cam kết đầu tư 245 triệu USD cho công nghệ in 3D trong suốt 7 năm tiếp theo [1]

- Anh: Tháng 6 năm 2013, một chương trình hỗ trợ trị giá 13.9 triệu USD từ chính phủ cho các công ty tư nhân để phát triển công nghệ in 3D Một trung tâm quốc

4 gia in 3D với khoản đầu tư 25 triệu USD được Chính phủ nước này thành lập vào năm

- Nhật Bản: Là một trong những nước sớm nhận ra tầm quan trọng của công nghệ in 3D Tổ chức Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản (METI) đã hỗ trợ việc sự dụng máy in 3D ở các trường học bằng cách trợ giá mua máy in 3D cho các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật ở nước này Ngoài ra, METI hỗ trợ 44 triệu USD ngân sách cho các hoạt động nghiên cứu và phát triển liên quan đến in 3D trong sản xuất [1]

- Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Jahar Lal Bhowmik và cộng sự [3] đã tiến hành thử nghiệm thay đổi các thông số khác nhau: layer thickness (0.127, 0.1778, 0.2540, 0.3302), air gap (0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5), raster angle (0, 15, 30, 45, 60, 75, 90), build orientation (0, 30, 45, 60, 75, 90), raster width (0.4572, 0.4814, 0.5056, 0.5298, 0.5540, 0.5782) và number of contours (1, 3, 5, 7, 8, 10) để xác định sự ảnh đến độ chính xác kích thước của mẫu in FDM sử dụng vật liệu PC-ABS Kết quả của thử nghiệm đã chỉ ra rằng những thông số tối ưu nhất để đạt độ chính xác của mẫu in là layer thickness 0.127 mm, air gap 0.342 mm, raster angle 88.918°, build orientation 89.122°, raster width 0.462 mm và

Adan Rasheed, Muhammad Hussian và Shafi Ullah [4] tiến hành thử nghiệm ảnh hưởng của các thông số FDM khác nhau đến tính chất cơ học và chỉ ra bộ thông số tối ưu để đạt được độ bền kéo tốt hơn cho hỗn hợp nhựa PLA-ABS Với bốn thông số được thử nghiệm là: infill density (50, 75 và 100%), number of layers (20, 25 và 30), printing speed (20 mm/s, 40 mm/s và 60 mm/s) và bed temperature (90, 95 và

100 °C) và các thông số khác không đổi Kỹ thuật tối ưu hóa Taguchi được sử dụng trong thí nghiệm này để tối ưu hóa các thông số Kết quả của thí nghiệm đã cho thấy infill density (mật độ lấp đầy) là thông số có ảnh hưởng nhất đến độ bền kéo của sản phẩm in trong khi bed temperature (nhiệt độ bàn in) có ảnh hưởng ít nhất Tác giả

5 cũng đã chỉ ra bộ thông số với infill density 75%, 30 layers, printing speed 20 mm/s, bed temperature 100 °C là bộ thông số lý tưởng để đạt được độ bền kéo tối đa

Nhóm nghiên cứu gồm Guru Mahesh và cộng sự [5] đã tiến hành thử nghiệm sự ảnh hưởng của thông số in layer height (chiều cao lớp in) và nozzle temperature (nhiệt độ đầu in) đến độ bền kéo và độ nhám bề mặt của mẫu in bằng phương pháp FDM Kết quả cho thấy để đạt được độ bền kéo tốt nhất thì thông số layer height là 0.25 mm với nozzle temperature 235 °C và để đạt được độ nhám bề mặt tốt nhất thì thông số layer height là 0.2 mm với nozzle temperature 235 °C

Md Mazedur và cộng sự [6] đã nghiên cứu các thông số tối ưu của layer heigth (chiều cao lớp in), nozzle temperature (nhiệt độ đầu in), printing speeds (tốc độ in) và bed temperature (nhiệt độ bàn in) cho mẫu in chịu nén được in bằng phương pháp FDM Bằng cách sử dụng phương pháp phân tích phương sai ANOVA dựa trên kết quả của thí nghiệm, tác giả đã phân tích sự ảnh hưởng của từng thông số in lên cơ tính của mẫu in Nghiên cứu cho thấy với bộ thông số 0.1 mm, 210 °C, 30 mm/s và 60 °C tương ứng với layer height, nozzle temperature, printing speeds, bed temperature thì mẫu in sẽ đạt được độ chịu nén cao nhất

Nhóm nghiên cứu của Nikhil Prakash Raut [7] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số in FDM đến cơ tính cụ thể là khả năng chịu va đập của sản phẩm in 3D sử dụng vật liệu ABS Kết quả cho thấy khả năng chịu va đập của mẫu in ảnh hưởng chủ yếu bởi hai thông số là infill density ( mật độ lấp đầy) và infill pattern ( kiểu lấp đầy) Khả năng chịu va đập tăng cao khi mật độ lấp đầy giảm xuống vầ kiểu lấp đầy đường thẳng cho kết quả độ dai va đập cao hơn các kiểu lấp đầy còn lại Bên cạnh đó, dựa vào kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số in layer thickness (chiều cao lớp in), nozzle temperature (nhiệt độ đầu in) và printing speeds (tốc độ in) đến khả năng chịu uốn của mẫu in bằng vật liệu ABS của Saty Dev và Rajeev Srivastava [8] đã cho thấy các mẫu có độ bền uốn cao nhất khi layer heigth 0.12 mm, nozzle temperature 224.958 °C và printing speeds 30.356 mm/s

Ngoài ra, còn có một số nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số in khác nhau đến cơ tính của vật liệu bằng phương pháp FDM Nghiên cứu của Mateusz Rudnik [9] đã cho thấy đối với cả độ bền kéo, độ bền uốn và hiện tượng từ biến, số lớp vỏ là 10 đều thu được giá trị cao hơn so với số lớp vỏ là 2 Kết quả của nghiên cứu bởi Hua Xin [11] đã chỉ ra với góc raster 30° sẽ mang lại cơ tính toàn diện tốt hơn cụ thể là khả năng chịu kéo, độ bền uốn và độ bền cắt so với khi in ở góc raster 45° và 90° Thêm vào đó, nghiên cứu bởi Amar Kumar Myadam và Venkat reddy Yadavalli [12] về sự ảnh hưởng của kiểu điền đầy đến cơ tính của sản phẩm in Nghiên cứu cho thấy mẫu in có kiểu điền đầy zig-zag thể hiện cơ tính vượt trội hơn khi so với mẫu in có kiểu điền đầy gyroid

1.3.2 Tình hình phát triển và nghiên cứu về công nghệ in 3D ở Việt Nam

- Về quá trình phát triển:

Công nghệ in 3D xuất hiện ở Việt Nam vào năm 2003 và chủ yếu được ứng dụng trong nghiên cứu do chi phí cao Hiện nay, công nghệ in 3D đã được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực như y tế, kiến trúc, sản xuất, giáo dục,… Dựa trên khảo sát cho thấy công nghệ FDM và SLA là hai công nghệ được sử dụng phổ biến ở nước ta Trong đó, FDM là công nghệ được sử dụng phổ biến nhất Một số trường đại học và các viện nghiên cứu của Việt Nam đã ứng dụng và nghiên cứu công nghệ in 3D nhằm phục vụ cho các ngành sản xuất, nghiên cứu và giáo dục trong nước Các doanh nghiệp tư nhân trong nước cũng đã ứng dụng công nghệ in 3D vào trong dây chuyền sản xuất của mình để thúc đẩy và phát triển sả xuất như công ty sản xuất ô tô Vinfast, công ty Samsung, các công ty thời trang và các doanh nghiệp lớn trong ngành sản xuất nhựa,… Tuy nhiên, hiện nay phần lớn các công ty, doanh nghiệp phải nhập khẩu thiết bị do máy in sản xuất trong nước có độ chính xác thấp, không in được các sản phẩm có kích thước lớn Nguyên liệu in 3D cũng chưa sản xuất được, chủ yếu nhập khẩu từ các nước khác Bên cạnh đó, nguồn nhân lực chưa có trình độ tay nghề cao,

7 hiểu rõ công nghệ in và thiết bị cũng như trình độ thiết kế chế tạo mẫu in 3D chưa cao, cần được đào tạo liên tục [13]

- Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam:

Duong Le và công sự [15] đã thực hiện nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ đầu in, góc in, mật độ điền đầy và chiều cao lớp in đến cơ tính của sản phẩm in bằng vật liệu TPU, sử dụng phương pháp FDM Tác giả đã sử dụng phươc pháp Taguchi để thiết kế, phân tích và tối ưu hóa bộ thông số Kết quả chỉ ra các thông số tối ưu để đạt các giá trị độ bền kéo, mô đun đàn hồi và độ dãn dài khi đứt là cao nhất

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Xác định ảnh hưởng của thông số nhiệt độ buồng in đến cơ tính của các loại vật liệu in khác nhau

Xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ buồng in và cơ tính của sản phẩm in Từ đó lựa chọn được vùng nhiệt độ in phù hợp

Nghiên cứu và bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing) nói chung và công nghệ in FDM nói riêng

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Kết quả của nghiên cứu có thể ứng dụng vào sản xuất chế tạo các chi tiết sản phẩm in 3D đòi hỏi độ bền cơ học cao

Mang lại hiệu quả kinh tế và tăng tính cạnh tranh cho lĩnh vực chế tạo sản phẩm công nghệ bằng công nghệ bồi đắp vật liệu FDM

Là tài liệu tham khảo cho các nhóm kỹ sư thiết kế và sản xuất, các nhà nghiên cứu trong việc lựa chọn được thông số nhiệt độ in phù hợp với yêu cầu và chất lượng của sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài này là nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in đến cơ tính của sản phẩm thực hiện bằng phương pháp FDM Từ kết quả nghiên cứu, đưa ra kết quả tối ưu về nhiệt độ buồng in, qua đó nâng cao đặc tính cơ học cũng như chất lượng của mẫu in

Phương pháp nghiên cứu

Trong đề tài này, nhóm đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

Nghiên cứu, phân tích lý thuyết dựa trên việc tìm kiếm và tham khảo các bài báo nghiên cứu khoa học, các tài liệu ở trong và ngoài nước có liên quan đến công nghệ in 3D

Tiến hành các thí nghiệm với những mẫu in 3D và đưa ra số liệu, biểu đồ để xác định sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in đến cơ tính của sản phẩm in bằng công nghệ FDM

Thống kê và phân tích kết quả của thí nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in đến cơ tính của sản phẩm thực hiện bằng phương pháp FDM” Thực hiện thí nghiệm trên các đối tượng là các mẫu in có vật liệu khác nhau với từng mức nhiệt độ buồng in khác nhau.

Phạm vi nghiên cứu

Do lý thuyết về lĩnh vực in 3D cũng như công nghệ FDM khá rộng lớn, thời gian và điều kiện cơ sở vật chất còn hạn chế nên phạm vi nghiên cứu đề tài của nhóm chỉ thực hiện các nội dung sau:

Thực hiện chế tạo mẫu in sử dụng vật liệu ABS với các mức nhiệt độ buồng in khác nhau , thử nghiệm độ bền kéo, độ dai va đập và độ bền uốn của các mẫu in

Thực hiện chế tạo mẫu in sử dụng vật liệu TPU với các mức nhiệt độ buồng in khác nhau, thử nghiệm độ bền kéo, độ dai va đập và độ bền uốn của các mẫu in

Thông kê và phân tích số liệu thu được sau thử nghiệm, tìm ra được nhiệt độ buồng in phù hợp để vật liệu và mẫu in đạt được cơ tính tốt nhất

Bố cục của đề tài

Chương 1: Tổng quan Đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của đề tài.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguyên lí chung của in 3D

Đa số các công nghệ in 3D đều có nguyên lí chung Để tiến hành in 3D một sản phẩm, trước tiên cần một bản thiết kế vật thể 3D trên máy tính và bản vẽ vật thể được thiết kế bằng phầm mềm CAD Mô hình của vật thể 3D được thiết kế trực tiếp trên phần mềm này hoặc được đưa vào phần mềm thông qua thiết kế ngược, sử dụng thiết bị laser để quét mẫu có sẵn Sau khi bản thiết kế trên phần mềm CAD hoàn thành sẽ được xuất sang định dạng file STL (Standard Tessellation Language) Đây là một định dạng tệp tiêu chuẩn được sử dụng để mô phỏng cấu trúc của vật thể được in Hệ thống in sẽ chia vật thể thành từng lớp nhỏ khác nhau và chuyển thông tin đến thiết bị in Sau đó, thiết bị in sẽ tự động in vật thể theo từng lớp cho đến khi vật thể cần sản xuất được hoàn thiện [1]

Hình 2.1: Nguyên lí chung của in 3D

Giới thiệu về công nghệ in FDM và một số công nghệ in 3D phổ biến

Công nghệ FDM hay còn được gọi là FFF (Fused Filament Fabrication) là công nghệ xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn từng lớp tạo nên cấu trúc của chi tiết sản phẩm Công nghệ FDM được phát triển bởi S Scott Crump vào cuối những năm 1980 và được hãng Stratasys thương mại hóa vào năm 1988 Đây hiện là công nghệ in 3D phổ biến và được ưa chuộng nhất ở các nước trên thế giới vì giá thành máy và vật liệu in rẻ [1]

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của công nghệ in FDM

Nguyên lí hoạt động của công nghệ FDM:

Vật liệu polymer được sử dụng ở dạng sợi có đường kính từ 1.75 – 3 mm, sợi nhựa đi qua ống dẫn nhựa tới đầu đùn, khi sợi nhựa đến đầu đùn sẽ được làm nóng Vật liệu được nóng chảy ở dạng lỏng sẽ được đẩy qua vòi đùn và lắng đọng lên mặt mặt bàn in Vòi phun di chuyển dọc theo trục x và y Sau khi lớp in đầu tiên hoàn thành, bàn in sẽ di chuyển xuổng một khoảng bằng chiều dày của một lớp in và máy

13 sẽ tiếp tục đùn lớp nhựa thứ hai chồng lên lớp thứ nhất Quá trình trên được thực hiện lặp lại liên tục cho đến khi hoàn thành sản phẩm in 3D [1] Ưu và nhược điểm của công nghệ FDM:

- Ưu điểm: Là công nghệ in với giá thành rẻ, in được số lượng lớn, tốc độ in nhanh, ít tiêu hao vật liệu Dễ dàng sửa chữa, bảo dưỡng và thay thế chi tiết linh kiện của máy Ngoài ra, công nghệ FDM còn là công nghệ thân thiện với môi trường

- Nhược điểm: Công nghệ FDM có độ chính xác không cao nên bị hạn chế trong việc chế tạo các chi tiết ứng dụng trong lắp ghép, bề mặt sản phẩm in không có độ mịn và tính thẩm mỹ cao

Hình 2.3: Máy in 3D FDM Máy in FDM gồm 2 loại: máy in không buồng và máy có buồng in (Hình 2.3)

Máy in FDM có buồng kín được đánh giá tôt hơn so với máy in FDM không buồng vì máy in có buồng kín giúp duy trì nhiệt độ xung quanh một cách ổn định, giúp sản phẩm in đạt độ bóng bề mặt cao và đảm bảo sự ổn định về mặt cơ tính của sản phẩn in [22] Vì vậy máy FDM có buồng in thường có giá thanh cao hơn so với máy in thông thường

Hình 2.4: Sản phẩm in của công nghệ FDM

(Nguồn: https://www.stratasys.com/en/stratasysdirect/technologies/3d- printing/fused-deposition-modeling/)

Công nghệ in 3D SLA là một công nghệ cũng hoạt động theo nguyên tắc “đắp từng lớp” nhưng có đặc điểm khác biệt so với các công nghệ in khác là dùng tia UV để làm cứng từng lớp vật liệu nhựa lỏng Công nghệ SLA được nghiên cứu bởi Chuck Hull vào năm 1984, đây là công nghệ in 3D đầu tiên và là công nghệ in 3D chuẩn xác nhất, ít sai số nhất trong các loại công nghệ in 3D hiện nay [1]

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lí của công nghệ SLA

Nguyên lí hoạt động của công nghệ SLA:

Một tấm nền sẽ được đặt trong bể nhựa lỏng (photopolymer) và cách bề mặt nhựa lỏng một khoảng nhất định Sử dụng tia UV được điều khiển bằng phần mềm đã được lập trình sẵn trên máy tính và thông qua gương phản chiếu để chiếu lên bề mặt nhựa lỏng Lớp nhựa lỏng sau khi được chiếu tia UV sẽ bị quang hóa và đông cứng lại do sự liên kết giữa các phân tử trong polymer tạo thành lớp đầu tiên của vật thể in Sau đó nhiều lớp đắp lên nhau cho đến khi thu được vật thể 3D như yêu cầu [1] Ưu và nhược điểm của công nghệ SLA:

- Ưu điểm: Công nghệ SLA tạo ra các sản phẩm có độ chính xác cao, đặc biệt là những chi tiết có hình dạng phức tạp Sản phẩn được tạo ra có độ bóng và độ phân giải cao

- Nhược điểm: Vật liệu dùng cho công nghệ SLA có giá thành cao, sản phẩm in bị giảm độ bền khi tiếp xúc lâu với ánh sáng mặt trời

Hình 2.7: Sản phẩm in của công nghệ SLA (Nguồn: https://www.runsom.com/technology/sla-introduction/)

2.2.3 Công nghệ SLS (Selective Laser Sintering)

Là một trong những công nghệ đầu tiên và được công nhận sau SLA Công nghệ SLS vận hành tương tự công nghệ SLA nhưng thay vì vật liệu là nhựa lỏng thì công nghệ SLA sử dụng vật liệu dạng bột Công nghệ này vẫn hoạt động trên nguyên tắc “đắp từng lớp” Hình dạng của các lớp được hình thành bằng cách dùng tia laser chiếu vào cho nóng chảy và hóa rắn lớp bột để tạo liên kết giữa các lớp với nhau [1]

Hình 2.8: Công nghệ in 3D SLS

17 Ưu và nhược điểm của công nghệ SLS:

- Ưu điểm: Khả năng tạo sản phẩm in bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, thủy tinh, gốm,… Có thể tạo ra sản phẩm có hình dạng phức tạp, không cần cấu trúc và vật liệu hỗ trợ

- Nhược điểm: Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao do hao tổn vật liệu lớn

Hình 2.9: Máy in 3D SLS (Nguồn: https://www.3dsystems.com/3d-printers/sls-380)

Hình 2.10: Các sản phẩm của công nghệ SLS (Nguồn: https://blog.savinagroup.com/cong-nghe-in-3d-sls/)

2.2.4 Công nghệ SLM (Selective Laser Melting)

Công nghệ SLM là một công nghệ in 3D sử dụng vật liệu kim loại bột, dưới sự tác động của chùm tia laser làm tan chảy và hợp nhất các lớp bột kim loại với nhau tạo thành vật thể 3D Nguyên lý hoạt động của công nghệ SLM tương tự như công nghệ SLS, chỉ khác là công nghệ này sử dụng vật liệu bột kim loại [1] Ưu và nhược điểm của công nghệ SLM:

- Ưu điểm: Sử dụng được đa dạng các loại vật liệu kim loại, khả năng chế tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp

- Nhược điểm: Chi phí cao Độ hoàn thiện bề mặt không tốt, cần phải trải qua các bước xử lí bề mặt sau khi in

Hình 2.11: Sản phẩn của công nghệ in 3D SLM (Nguồn: https://digman.vn/thuat-ngu/slm-cong-nghe-in-kim-loai/)

2.2.5 Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing)

Công nghê LOM là công nghệ tạo mẫu nhanh, được phát triển bởi Helisys Inc

Sử dụng giấy tráng keo, nhựa hoặc kim loại cán mỏng làm vật liệu in 3D Những tấm vật liệu này được dán từng lớp lại với nhau và cắt thành hình bằng dao hoặc máy cắt laser Sản phẩn của công nghệ này có thể sửa đổi thêm sau khi in bằng cách gia công hoặc khoan sau in Độ phân giải của lớp được xác định bởi nguyên liệu và thường có độ dày từ một đến một vài tấm vật liệu [1]

Hình 2.12: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí của công nghệ LOM [15]

1.Tấm đế di chuyển được, 2.Cuộn cấp vật liệu, 3.Cuộn thu hồi vật liệu, 4.Con lăn nhiệt, 5.Nguồn Laser, 6.Gương phản chiếu có thể di chuyển được Ưu và nhược điểm của công nghệ LOM:

- Ưu điểm: Độ chính xác cao, vật liệu đa dạng và có giá thành rẻ, tốc độ tạo mẫu nhanh Có thể đảm bảo được đặc tính cơ học ban đầu của vật liệu bằng việc cắt thay vì hóa rắn vật liệu, không độc hại và ô nhiễm môi trường

- Nhược điểm: Chi tiết sản phẩm tạo ra thường bị cong vênh, tiêu hao vật liệu

Hình 2.13: Sản phẩm của công nghệ in 3D LOM (Nguồn: https://technicalvnplus.com/article/cong-nghe-in-3d-dan-nhieu-lop- lom )

Giới thiệu về máy in FDM

Cấu tạo chung của máy in FDM bao gồm hệ thống phần cứng và phần mềm máy tính

Hình 2.14: Cấu tạo của máy in FDM

Hệ thống phần cứng: Đầu in và hệ thống ép đùn: Chịu trách nhiệm gia nhiệt và đùn vật liệu nhựa nóng chảy thông qua kim phun để tạo thành chi tiết Các yếu tố như kích thước đường kính của kim phun và tốc độ đùn nhựa có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác khi in của máy và tốc độ in

Hệ thống trục chuyển động x và y: Trục in của máy điều khiển chuyển động theo phương x và y của đầu in, trực tiếp chịu trách nhiệm cho việc in từng lớp 2D theo đúng thiết kế của mẫu in Độ chính xác và chắc chắn của trục in, cảm biến điều khiển, động cơ sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết

Hệ thống trục chuyển động z và bàn in: Trong khi quá trình in đang diễn ra, trục Z di chuyển bàn in theo các bước nhất định, có khoảng cách bằng nhau để tạo thành từng lớp của chi tiết Bàn in là nơi chứa sản phẩm in vì đầu in sẽ ép đùn vật liệu lên bề mặt của bàn in Độ chính xác của trục và động cơ điều khiển hệ thống trục z ảnh hưởng đến độ chính xác, độ phân giải và chất lượng của chi tiết được in

Hệ thống phần mềm máy tính:

Bao gồm phần mềm CAD/CAM và phần mềm điều khiển của máy in Phần mềm CAD là phần mềm có chức năng thiết kế và tạo mẫu 3D, các phần mềm CAD thông dụng hiện nay là: Inventor, Soliwork, Creo,… Các mẫu 3D sau khi được tạo bằng những phần mềm CAD sẽ được xuất sang định dạng STL, sau đó được đưa qua phần mềm CAM để thực hiện việc chia cắt lớp mẫu 3D vì công nghệ in 3D nói chung và FDM nói riêng là công nghệ in theo từng lớp Vì vậy phần mềm CAM có chức năng cắt lớp Kích thước của từng lớp cắt càng nhỏ thì chất lượng mẫu in 3D càng cao nhưng bù lại thời gian in sẽ tăng lên, và ngược lại Một số phần mềm CAM được sử dụng phổ biến và rộng rãi hiện nay là Simplify3d, Cura, Prusa Slicer,…

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất của vật liệu nhựa in 3D FDM

Nhiệt độ là yếu tố chính thúc đẩy sự khuếch tán giữa các phân tử giữa các lớp được in Ngoài ra, chuyển động phân tử, khuếch tán phân tử và sự vướng víu phân tử của polyme phụ thuộc vào nhiệt độ chuyển thủy tinh của chúng Tuy nhiên, trong máy in 3D FDM, nhiệt độ bên trong buồng in, đặc biệt là ở lớp giao diện, ở xung quanh hoặc cao hơn nhiệt độ chuyển thủy tinh, điều này gây ra sự khuếch tán và vướng víu phân tử trong quá trình thiêu kết, đồng thời cải thiện liên kết giữa các lớp Hơn nữa, các phương pháp xử lý nhiệt như ủ trong quá trình hoặc sau quá trình cung cấp sự phân bố nhiệt đồng đều, làm tăng mối hàn lớp, cải thiện độ kết tinh và tăng cường tính chất cơ học của polyme bán tinh thể [23]

Mặc dù đã có một số nghiên cứu đã chỉ ra nhiệt độ môi trường không có bất kỳ ảnh hưởng đáng kể nào, nhưng cũng có các nghiên cứu đã tuyên bố rằng việc tăng

22 nhiệt độ môi trường có thể dẫn đến giảm ứng suất dư bên trong vật liệu in, cho phép truyền nhiệt đồng nhất tạo điều kiện cho các đặc tính liên kết tốt hơn giữa các sợi, dẫn đến tính chất cơ học được cải thiện Tuy nhiên, so với các loại polyme vô định hình, thì ở các polyme bán tinh thể, tốc độ làm nguội giảm dẫn đến thúc đẩy quá trình kết tinh dẫn đến tăng độ cong vênh [24] Ngoài ra nhiệt dộ còn ảnh hưởng đến độ nhớt dòng chảy của nhựa khi in.

PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM

Phương án thí nghiệm

Để thử nghiệm cơ tính của các mẫu sau khi in, nhóm quyết định chọn mẫu thử D638 Loại IV để thử nghiệm độ bền kéo, mẫu thử D256 để thử nghiệm độ dai va đập và mẫu thử D790 để thử nghiệm độ bền uốn Tất cả các mẫu thử trên đều theo tiêu chuẩn ASTM

Do đề tài nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ buồng in nên các mẫu thử nghiệm sẽ được in lần lượt theo các mức nhiệt độ buồng in được thiết lập ban đầu ở các mức khác nhau theo bảng dưới đây:

Bảng 3.1: Các mẫu thử nghiệm được in theo các mức nhiệt độ buồng in

Mẫu Nhiệt độ buồng in (°C)

Mẫu thử độ bền kéo D638 30 45 60 75

Mẫu thử độ dai va đập D256 30 45 60 75

Mẫu thử độ bền uốn D790 30 45 60 75

Sau khi in xong, các mẫu in sẽ được thử nghiệm bằng các máy thử cơ tính chuyên dụng để thu được kết quả đo giá trị độ bền cơ học của từng loại mẫu in Từ đó có thể so sánh và phân tích kết quả thử nghiệm.

Thiết kế mẫu thử

Các mẫu thử được thiết kế trên phầm mềm máy tính Solidworks, các kích thước và hình dáng của mẫu dựa theo kích thước tiêu chuẩn của mẫu ASTM

Hình 3.1: Hình dáng và kích thước mẫu thử kéo D638 Loại IV

Hình 3.2: Hình dáng và kích thước mẫu thử độ dai va đập D256

Hình 3.3: Hình dáng và kích thước mẫu thử độ bền uốn D790

Vật liệu in 3D

Vật liệu được sử dụng trong công nghệ in 3D tùy theo công nghệ in thường ở

3 dạng: dạng sợi, dạng lỏng và dạng bột Đối với công nghệ in FDM, vật liệu là nhựa dạng sợi và được đóng gói thành thành các cuộn nhựa có đường kính tiêu chuẩn phổ biến là 1.75 mm hoặc 3 mm tùy theo kích thước đầu phun của máy đang sử dụng Phổ biến nhất là những loại sợi nhựa in có kích thước 1.75 mm

Có rất nhiều loại nhựa được sử dụng trong công nghệ FDM, ví dụ như: ABS, PLA, PETG, TPU, PEEK,… Trong đề tài lần này, nhóm đã sử dụng 2 loại vật liệu là ABS và TPU cho nghiên cứu của nhóm

Nhựa ABS (Acrylonitrin Butadien Styren) có công thức hóa học là C8H8- C4H6-C3H3N Vật liệu ABS có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập tốt, độ bền và kháng nước tuyệt vời cùng với đặc tính dễ gia công và giá thành phải chăng khiến loại vật liệu này trở nên phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất, đặc biệt là ngành công nghệ in 3D và phổ biến nhất trong in 3D bằng phương pháp FDM

Nhựa ABS được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp sản xuất và đời sống như: sản xuất đồ chơi, đồ dùng gia đình, sản xuất linh kiện điện tử, ô tô, y tế và chăm sóc sức khỏe,…

Mặc dù ABS có đặc tính cơ học và chịu va đập tốt nhưng in khó hơn do dễ bị co rút và biến dạng trong môi trường nhiệt độ thay đổi thất thường Dễ gây tình trạng cong vênh, nứt trong quá trình in Ngoài ra, nhựa ABS sẽ giải phóng các khí độc nặng mùi khi bị đốt cháy

Bảng 3.2: Thông số vật liệu nhựa in ABS Độ bền kéo

(MPa) Độ giãn dài khi đứt (%)

Mô đun kéo (MPa) Độ bền va đập (kJ/m 2 )

Nhiệt độ nóng chảy (°C) Đường kính sợi nhựa (mm)

Hình 3.3: Vật liệu ABS dạng sợi trong công nghệ FDM

Nhựa TPU (Thermoplastic Polyurethanes), được phát minh bởi BF Goodrich vào năm 1959 Nhựa TPU với ưu điểm là loại nhựa dẻo làm từ Thermoplastic có độ đàn hồi tốt, khả năng chống mài mòn và kháng dầu mỡ rất tốt Là vật liệu an toàn với môi trường, không độc hại và không có mùi khó chịu Chính vì những ưu điểm nổi trội trên, nhựa TPU được ứng dụng rộng rãi vào nhiều ngành sản xuất và công nghiệp hiện nay, cụ thể như: hàng không vũ trụ, đồ thể thao, ô tô, phụ kiện điện thoại, đồ dùng gia dụng,… Tuy nhiên nhựa TPU lại có một nhược điểm là dễ bị ố vàng, ngã màu sau một khoảng thời gian sử dụng

Bảng 3.3: Thông số vật liệu nhựa TPU Độ bền kéo

Mô đun kéo (MPa) Độ giãn dài khi đứt (%) Độ cứng (ShoreA)

Nhiệt độ in (°C) Đường kính sợi nhựa (mm)

Hình 3.4: Vật liệu TPU dạng sợi trong công nghệ FDM

Dựa vào phương án thí nghiệm, nhóm thiết lập được số mẫu thí nghiệm cho đề tài Mỗi mẫu thử cơ tính sẽ được in ở các mức nhiệt độ buồng in thay đổi và nhóm tiến hành in với số lượng 5 mẫu cho mỗi loại mẫu thử ở từng giá trị nhiệt độ và tiến hành đo kiểm thử cơ tính Vì vậy, tổng số mẫu cần phải tiến hành in và thử nghiệm là

Bảng 3.4: Số lượng mẫu thí nghiệm

Loại mẫu Nhiệt độ buồng in

Tiến hành chế tạo mẫu thử

3.4.1 Chọn các thông số in

Vì giới hạn của đề tài và thời gian nghiên cứu có hạn nên nhóm đã chọn các thông số in dựa trên những bài báo khoa học, nghiên cứu về thông số tối ưu cho các loại vật liêu in FDM từ những nhà nghiên cứu trước đó và dựa trên thông số khuyến nghị từ nhà sản xuất vật liệu in Các thông số in đã được nhóm chọn như sau:

- Chiều cao lớp in (Layer Height): công nghệ in FDM là công nghệ tạo ra sản phẩm bằng cách đắp chồng nhiều lớp vật liệu lên nhau tạo ra sản phẩm 3D Vì vậy, chiều cao lớp in chính là độ cao của lớp vật liệu trong mỗi lần đắp chồng Đây là thông số có ảnh hưởng lớn đến độ mịn của bề mặt, độ chính xác và độ bền của sản phẩm in Chiều cao lớp in càng thấp thì độ mịn bề mặt mẫu in càng cao nhưng mất nhiều thời gian in mẫu Ngược lại, chiều cao lớp in càng cao thì sẽ giảm được thời gian in nhưng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, độ chính xác kích thước của mẫu Chiều cao của lớp in không vượt quá 80% đường kính của đầu đùn nhựa Trong đề tài này, máy in nhóm sử dụng có kích thước đầu đùn là 0.4 mm và để tiết kiệm thời gian in nên nhóm đã chọn chiều cao lớp in lần lượt là 0.2, 0.25 mm tương ứng với vật liệu ABS và TPU

- Mức độ điền đầy (Infill Percentage): mức độ điền đầy là lượng nhựa được điền đầy ở bên trong lớp vỏ của chi tiết in Mức độ điền đầy có thể điều chỉnh từ 0% ( rỗng hoàn toàn) - 100% ( đặc hoàn toàn), thông số này ảnh hưởng chủ yếu đến độ cứng, thời gian in, khối lượng của mẫu in Bên cạnh đó, mức độ điền đầy cao giúp cải thiện khả năng chịu lực và độ bền của mẫu Trong đề tài này, nhóm chọn mức độ điền đầy 100% cho cả hai loại mẫu ABS và TPU

- Nhiệt độ đầu đùn (Nozzle Temperature): đây là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng của mẫu in và hiệu suất của việc in Nhiệt độ đầu đùn xác định mức độ nóng chảy, lưu lượng của dòng chảy và sự liên kết của sợi nhựa với lớp in trước đó Nhiệt độ đầu đùn quá cao hoặc quá thấp có thể gây nên tình trạng tắc nghẽn nhựa in, tách lớp dẫn đến bộ bám dính giữa các lớp kém làm giảm

29 chất lượng và có thể làm cong vênh mẫu in Dựa trên những nghiên cứu về nhiệt độ đầu in trước đó và khuyến nghị từ nhà sản xuất, nhóm chọn nhiệt độ đầu đùn 240 °C đối với mẫu in bằng vật liệu ABS và 230 °C đối với vật liệu TPU

- Nhiệt độ bàn in (Bed Temperature): là thông số trực tiếp ảnh hưởng tới chất lượng của mẫu in và độ bám dính của mẫu trong quá trình in Nhiệt dộ bàn in quá thấp sẽ dẫn đến mẫu in bị cong vênh và không bám dính vào bàn in Mặt khác, nhiệt độ bàn in quá cao sẽ làm mẫu bám chặt vào bàn in gây tình trạng khó lấy mẫu ra khỏi bàn sau khi in, có thể gây hư hỏng mẫu in Nhóm chọn nhiệt độ bàn in cho mẫu in sử dụng vật liệu ABS là 110 °C và 60 °C cho mẫu TPU

- Tốc dộ in (Printing Speed): tốc độ in là tốc độ di chuyển của đầu đùn khi in Mỗi loại vật liệu thường có những khoảng tốc độ in phù hợp được đề xuất bởi nhà sản xuất vật liệu Tốc độ in chậm giúp đảm bảo chất lượng của sản phẩm nhưng mất nhiều thời gian để in mẫu Ngược lại, tốc độ in nhanh giúp giảm thời gian in nhưng tốc độ in quá cao có thể ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước của mẫu và giảm độ bám dính của lớp vật liệu đầu tiên với bàn in Trong đề tài này, dựa trên khuyến nghị của nhà sản xuất vật liệu và để tiết kiệm thời gian in, nhóm chọn tốc độ in cho mẫu in bằng vật liệu ABS là 50 mm/s và tốc độ in cho mẫu in bằng TPU là 40 mm/s

- Số lượng vỏ ngoài (Outline Shells): số lớp vỏ ngoài ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng của sản phẩm in Số lớp vỏ càng nhiều thì sản phẩm càng cứng Số lớp vỏ được chọn là 3

- Các thông số khác để mặc định

Bảng 3.5: Bảng thông số in của vật liệu ABS

Bảng 3.6: Bảng thông số in của vật liệu TPU

Trong đề tài này, nhóm sử dụng máy in 3D FDM German RepRap X500 tại phòng thí nghiệm vật liệu học thuộc trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Máy X500 được sản xuất bởi công ty innovatiQ tại Đức Là loại máy có hiệu suất và độ chính xác cao, sử dụng được nhiều loại vật liệu in khác nhau Máy X500 có thể tích không gian là 90 lít với kích thước không gian in là 500 x 400 x 450 (theo hướng X/Y/Z), máy sử dụng đầu đùn có kích thước 0.4 mm và có thể sử dụng được các loại đầu đùn có kích thước khác nhau Đặc biệt, máy có chức năng tự động cân bàn giúp đảm bảo quá trình in diễn ra nhanh chóng

Hình 3.5: Máy in 3D German RepRap X500

Hình 3.6: Màn hình cảm ứng điều khiển thông số của máy in X500

Hình 3.7: Màn hình hiển thị các dữ liệu trong quá trình in

Hướng dẫn sử dụng máy in 3D FDM X500:

- Bước 1: Tiến hành bật công tác nguồn của máy và mở nắp buồng in

- Bước 2: Tiến hành nhập file code in đã được xuất từ phần mềm thiết kế 3D vào máy X500 bằng cách sử dụng USB đã có lưu file Gcode, gắn USB vào khe đọc của máy

- Bước 3: Nhập dữ liệu file Gcode vào bộ nhớ của máy

- Bước 4: Đóng nắp buồng in và bấm nút Start trên màn hình cảm ứng để bắt đầu in mẫu

Hình 3.8: Quá trình in thực tế trên máy Những vấn đề và khó khăn gặp phải trong quá trình in mẫu:

Mẫu in ABS bị cong vênh, nguyên nhân có thể do khoảng cách giữa mặt bàn in và đầu in quá cao, mặt bàn chưa được vệ sinh sạch sẽ nên làm giảm độ bám dính của mẫu khi in Biện pháp khắc phục: Canh chỉnh khoảng cách giữa mặt bàn và đầu in, vệ sinh sạch sẽ bàn in trước khi in và sử dụng keo bàn in chuyên dụng để tăng độ bám dính của mẫu

Khi in các mẫu ở nhiệt độ buồng in 75 °C, thường xuyên xảy ra hiện tượng nghẹt nhựa in trong khi in khiến quá trình in bị tạm dừng nhiều lần và ảnh hưởng đến mẫu in

Hình 3.9: Mẫu bị cong vênh trong quá trình in

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Mẫu thu được sau khi in

Do khi in các mẫu ở nhiệt độ buồng in 75 °C, thường xuyên xảy ra hiện tượng nghẹt nhựa in trong quá trình in khiến quá trình bị tạm dừng nhiều lần và ảnh hưởng đến chất lượng mẫu in nên ngoài mẫu thử độ dai va đập ABS thì nhóm không thể in được các mẫu thử khác ở nhiệt độ buồng in 75 °C

Hình 4.1: Mẫu ABS thu được sau khi in 3D FDM

Hình 4.2: Mẫu TPU thu được sau khi in 3D FDM

Kết quả thử nghiệm ABS

4.2.1 Độ bền kéo của vật liệu ABS a) Nhiệt độ buồng in 30 °C b) Nhiệt độ buồng in 45 °C c) Nhiệt độ buồng in 60 °C Hình 4.3: Biểu đồ đường cong ứng suất biến dạng kéo của vật liệu ABS

Bảng 4.1: Số liệu kết quả thử nghiệm độ bền kéo của vật liệu ABS Độ bền kéo (MPa)

Trung bình 30.75 30.53 30.45 Độ lệch chuẩn 0.82 0.35 0.85

Hình 4.4: Độ bền kéo trung bình của ABS với nhiệt độ buồng in thay đổi

Hình 4.5: Mô đun đàn hồi trung bình của ABS với nhiệt độ buồng in thay đổi

Hình 4.6: Tỷ lệ biến dạng trung bình của ABS với nhiệt độ buồng in thay đổi

Dựa vào những số liệu từ Bảng 4.1 và biểu đồ Hình 4.4, có thể thấy rằng độ bền kéo của mẫu in chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ buồng in Cụ thể, khi in mẫu tại nhiệt độ buồng in là 30 °C thì lực kéo trung bình đạt được là 30.75 MPa Đối với nhiệt độ

Mô đun đàn hồi (MPa)

40 buồng in là 45 °C thì lực kéo trung bình đo được giảm còn 30.53 MPa Tại mức nhiệt độ buồng in 60 °C, thu được giá trị lực kéo trung bình là 30.45 MPa, thấp nhất trong

3 mức nhiệt độ buồng in Tuy nhiên, khi xem xét về mô đun đàn hồi (Hình 4.5) và tỷ lệ độ biến dạng (Hình 4.6) có thể thấy khi nhiệt độ buồng in càng cao thì mô đun đàn giảm nhưng độ biến dạng của mẫu in bằng vật liệu ABS lại tăng Tại nhiệt độ buồng in 30 °C, mô đun đàn hồi trung bình thu được của thí nghiệm là 208.92 MPa với tỷ lệ độ biến dạng là 4.81 % Tại nhiệt độ 45 °C, mô đun đàn hồi và tỷ lệ độ biến dạng thu được lần lượt là 198.56 MPa và 5.01 % Mô đun đàn hồi và tỷ lệ độ biến dạng thu được tại mức nhiệt độ buồng in 60 °C là 197.91 MPa và 5.05 % Có thể thấy rằng khi nhiệt độ của buồng in tăng cao, độ bền kéo của các mẫu ABS sẽ giảm xuống đồng thời độ biến dạng của vật liệu này tăng lên Qua đó cho thấy vật liệu ABS khi in ở nhiệt độ buồng in 30 °C thì sẽ có độ bền kéo tốt nhất và ít biến dạng nhất Tóm lại, khi nhiệt độ buồng in càng cao, độ bền kéo của vật liệu ABS sẽ giảm xuống và độ biến dạng của vật liệu khi chịu lực sẽ càng cao

4.2.2 Độ dai va đập của vật liệu ABS

Bảng 4.2: Số liệu kết quả thử nghiệm độ dai va đập của vật liệu ABS Độ dai va đập (kJ/m 2 ) Mẫu 30 °C 45 °C 60 °C 75 °C

5 11.47 10.09 11.86 12.51 Trung bình 11.51 11.35 11.75 12.33 Độ lệch chuẩn 0.68 0.79 0.66 0.95

Hình 4.7: Độ dai va đập trung bình của ABS với nhiệt độ buồng in thay đổi

Dựa theo dữ liệu ở Bảng 4.2 và Hình 4.7, có thể thấy nhiệt độ buồng in có ảnh hưởng đến độ dai va đập của mẫu in Giá trị kết quả đo độ dai va đập thay đổi lần lượt và có xu hướng tăng theo nhiệt độ buồng in từ 30 đến 75 °C Cụ thể, độ dai va đập trung bình thu được sau thử nghiệm của vật liệu ABS giảm từ 11.51 kJ/𝑚 2 tại nhiệt độ buồng in 30 °C xuống 11.35 kJ/𝑚 2 tại nhiệt độ 45 °C, sau đó giá trị độ dai va đập tăng lên tại nhiệt độ 60 °C 11.75 kJ/𝑚 2 và đạt được độ dai va đập cao nhất khi in ở nhiệt độ buồng in 75 °C 12.33 kJ/𝑚 2 Nhìn chung, có thể thấy rằng độ dai va đập của vật liệu ABS tăng khi nhiệt độ buồng in tăng vì có thể do nhiệt độ buồng in càng cao thì vật liệu nhựa ABS càng cứng làm tăng độ bền khi chịu tác dụng của lực va đập và mẫu ABS được in tại nhiệt độ buồng 75 °C cho kết quả tốt nhất về độ dai va đập Bên cạnh đó, nhiệt độ buồng in có kết quả độ dai va đập thấp nhất là 45 °C

30 °C 45 °C 60 °C 75 °C Độ dai va đập (KJ/m2)

Hình 4.8: Mẫu va đập ABS sau khi thử nghiệm

4.2.3 Độ bền uốn của vật liệu ABS a) Nhiệt độ buồng in 30 °C b) Nhiệt độ buồng in 45 °C c) Nhiệt độ buồng in 60 °C Hình 4.9: Biểu đồ đường cong ứng suất biến dạng uốn của vật liệu ABS

Bảng 4.3: Số liệu kết quả thử nghiệm độ bền uốn của vật liệu ABS Độ bền uốn (MPa)

Trung bình 40.67 46.22 47.27 Độ lệch chuẩn 1.34 1.91 0.67

Hình 4.10: Độ bền uốn trung bình của ABS với nhiệt độ buồng in thay đổi

Dựa theo dữ liệu ở Bảng 4.3 và Hình 4.10, có thể thấy nhiệt độ buồng in có ảnh hưởng đến độ bền uốn của mẫu in Giá trị kết quả đo độ bền uốn sau khi thử nghiệm tăng lần lượt theo nhiệt độ buồng in từ 30 đến 60 °C Chi tiết hơn, tại nhiệt độ buồng in 30 °C thì độ bền uốn trung bình đạt được là 40.67 (MPa) Khi nhiệt độ buồng in tăng lên 45 °C thì kết quả trung bình độ bền uốn của các mẫu in tại nhiệt độ này thu được là 46.22 (MPa), cao hơn 5.55 (MPa) so với kết quả độ bền uốn tại nhiệt độ buồng in 30 °C Sau đó, khi tăng nhiệt độ buồng in lên 60 °C thì thu được kết quả độ bền uốn trung bình là 47.27 (MPa), cao hơn 6.6 (MPa) khi so với nhiệt độ buồng in

30 °C và cao hơn 1.05 (MPa) so với nhiệt độ 45 °C Có thể thấy khi nhiệt độ buồng in càng cao thì độ bến uốn của mẫu in bằng vật liệu ABS càng cao

Hình 4.11: Mẫu uốn ABS sau khi thử nghiệm

4.2.4 Nghiên cứu cấu trúc tế vi của mẫu va đập của vật liệu ABS a) Mẫu in tại 30 °C b) Mẫu in tại 45 °C c) Mẫu in tại 60 °C d) Mẫu in tại 75 °C

Hình 4.12: Cấu trúc tế vi của mẫu va đập ABS ở độ phóng đại X20

45 a) Mẫu in tại 30 °C b) Mẫu in tại 45 °C c) Mẫu in tại 60 °C d) Mẫu in tại 75 °C

Hình 4.13: Cấu trúc tế vi của mẫu va đập ABS ở độ phóng đại X50

Hình 4.12 và 4.13 thể hiện hình ảnh cấu trúc tế vi của mẫu thử độ dai va đập ABS Có thể thấy rằng khi in ở nhiệt độ buồng 30 °C và 45 °C thì sự hình thành liên kết giữa các lớp là rất tốt Khi nhiệt độ buồng in tăng lên ở 60 °C và 75 °C, liên kết giữa các lớp của mẫu không ở tình trạng hoàn hảo Xuất hiện sự phân tách hoặc tách lớp rõ ràng giữa các lớp Sự liên kết chặt chẽ giữa các lớp làm tăng độ bền kéo của mẫu in Tuy nhiên, thông qua hình cảnh cấu trú tế vi của các mẫu thử độ dai va đập có thể thấy các mẫu in ở nhiệt độ buồng 60 °C và 75 °C có sự tách lớp và các khoảng trống tách lớp lớn hơn so với các mẫu in ở nhiệt độ 30 °C và 45 °C Nghiên cứu của Marlon Wesley [14] cũng đã chỉ ra rằng nhiệt độ in tăng sẽ làm giảm sự liên kết giữa các lớp Dựa trên kết quả của các hình ảnh chụp SEM ở trên, có thể thấy nhiệt độ buồng in cao sẽ gây ra sự phân tách giữa các lớp do nhiệt độ cao làm phá hủy chuỗi sự tách lớp sự tách lớp sự tách lớp sự tách lớp

46 phân tử trong vật liệu polymer Nhưng các mẫu in có sự phân tách giữa các lớp lại có cho ra kết quả có độ dai va đập và độ bền uốn tốt hơn vì ở nhiệt độ thấp 30 đến 45 °C, các lớp in liên kết chặt chẽ với nhau làm tăng độ dày của các của lớp in, dẫn đến giảm độ cứng Nghiên cứu khác của Pritish Shubham [21] cũng đã chỉ ra rằng độ dày lớp nhỏ hơn dẫn đến độ cứng cao hơn do có nhiều lớp được xếp chồng lên nhau hơn Số lượng lớp xếp chồng lên nhau trên một đơn vị độ dày càng lớn thì khả năng chống lại lực xuyên thấu càng lớn.

Kết quả thử nghiệm TPU

4.3.1 Độ bền kéo của vật liệu TPU a) Nhiệt độ buồng in 30 °C b) Nhiệt độ buồng in 45 °C c) Nhiệt độ buồng in 60 °C d) So sánh giữa các mức nhiệt độ Hình 4.14: Biểu đồ đường cong ứng suất biến dạng kéo của vật liệu TPU

Bảng 4.4: Số liệu kết quả thử nghiệm độ bền kéo của vật liệu TPU

Hình 4.15: Độ bền kéo trung bình của TPU với nhiệt độ buồng in thay đổi

Hình 4.16: Mô đun đàn hồi trung bình của TPU với nhiệt độ buồng in thay đổi

Mô đun đàn hồi (MPa)

Hình 4.17: Tỷ lệ biến dạng trung bình của TPU với nhiệt độ buồng in thay đổi

Từ số liệu kết quả độ bền kéo trung bình của các mẫu kéo TPU ở Bảng 4.4 và biểu đồ ở Hình 4.15, có thể thấy nhiệt độ buồng in có mối quan hệ tương quan với độ bền kéo của các mẫu in bằng vật liệu TPU Độ bền kéo tăng khi nhiệt độ buồng in tăng từ 30 °C đến 45 °C, nhưng độ bền kéo giảm mạnh ở nhiệt độ 60 °C Cụ thể hơn, ở nhiệt độ buồng in 30 °C, giá trị độ bền kéo trung bình thu được sau thử nghiệm là 24.01 MPa và sau đó tăng lên 24.38 MPa tại nhiệt độ buồng in 45 °C Sau đó, ở nhiệt độ buồng 60 °C thì độ bền kéo đạt thấp nhất 17.55 MPa Và kết quả của Hình 4.16 cho thấy mô đun đàn hồi tăng cao ở 45 °C và giảm khi nhiệt độ buồng in tăng cao Cụ thể, tại nhiệt độ buồng in 30 °C, mô đun đàn hồi trung bình thu được của thí nghiệm là 121.41 MPa Tại nhiệt độ 45 °C, mô đun đàn hồi giảm còn 125.51 MPa Mô đun đàn hồi được tại mức nhiệt độ buồng in 60 °C là thấp nhất, tương ứng 84.03 MPa Kết quả ở Hình 4.17 cho thấy tỷ lệ biến dạng của vật liệu TPU có xu hướng tăng ở 45 °C khi nhiệt độ buồng in tăng từ 30 °C đến 45 °C, cụ thể tăng từ 243.2 MPa lên 253.47 MPa và giảm còn 223.52 tại nhiệt độ 60 °C Tóm lại, khi nhiệt độ buồng in tăng thì độ bền kéo của vật liệu TPU sẽ tăng nhưng khi nhiệt độ tăng quá cao sẽ làm giảm độ bền kéo của mẫu

Hình 4.18: Mẫu kéo TPU sau khi thử nghiệm

4.3.2 Độ dai va đập của vật liệu TPU

Mẫu thử nghiệm độ dai va đập D256 TPU khi mang đi thử nghiệm với máy thử không cho ra được kết quả thử nghiệm vì các mẫu sau khi thử không bị gãy khi chịu tác dụng của lực từ máy thử nghiệm

Hình 4.19: Mẫu va đập TPU sau khi thử nghiệm

4.3.3 Độ bền uốn của vật liệu TPU a) Nhiệt độ buồng in 30°C b) Nhiệt độ buồng in 45°C c) Nhiệt độ buồng in 60 °C Hình 4.20: Biểu đồ đường cong ứng suất biến dạng uốn của vật liệu TPU

Bảng 4.5: Số liệu kết quả thử nghiệm độ bền uốn của vật liệu TPU Độ bền uốn (MPa)

Trung bình 1.80 1.21 1.37 Độ lệch chuẩn 0.12 0.08 0.34

Hình 4.21: Độ bền uốn trung bình của TPU với nhiệt độ buồng in thay đổi

Giá trị độ bền uốn trung bình và biểu đồ được mô tả trên Bảng 4.5 và Hình 4.21 Từ dữ liệu trên có thể thấy rằng độ bền uốn có mối tương quan cụ thể với nhiệt độ buồng Độ bền uốn có xu hướng giảm khi nhiệt độ buồng tăng, nhưng ứng suất uốn giảm mạnh ở 45°C Chi tiết hơn, ở nhiệt độ buồng 30°C, độ bền uốn giảm từ 1,80 MPa xuống 1,21 MPa ở 45°C, tại đây độ bền uốn là thấp thấp nhất Ở nhiệt độ buồng 60°C, độ bền uốn tăng lên 1,37 MPa Theo kết quả Bảng 4.5 đã cho thấy nhiệt độ buồng in tốt nhất cho độ bền uốn là 30 °C và nhiệt độ buồng in cần tránh là 45 °C

Tóm lại, có thể thấy rằng nhiệt độ buồng in tăng cao làm giảm độ bền uốn của mẫu in vật liệu TPU

Hình 4.22: Mẫu uốn TPU sau khi thử nghiệm

4.3.4 Nghiên cứu cấu trúc tế vi của mẫu thử kéo TPU a) Mẫu in tại 30 °C b) Mẫu in tại 45 °C c) Mẫu in tại 60 °C Hình 4.23: Cấu trúc tế vi của mẫu kéo TPU ở độ phóng đại X30 sự tách lớp sự tách lớp sự tách lớp

53 a) Mẫu in tại 30 °C b) Mẫu in tại 45 °C c) Mẫu in tại 60 °C Hình 4.24: Cấu trúc tế vi của mẫu kéo TPU ở độ phóng đại X100

Hình 4.23 và 4.24 thể hiện hình ảnh cấu trúc vi mô của các mẫu kéo TPU được in, có thể thấy sự liên kết giữa các lớp in của vật liệu TPU khi in ở các mức nhiệt độ buồng in khác nhau khá giống với vật liệu ABS Sự liên kết giữa các lớp in ở trạng thái tốt khi in ở nhiệt độ buồng là 30 và 45 °C, đặc biệt ở nhiệt độ 45 °C thì sự liên kết giữa các lớp in là tốt hơn so với tại nhiệt độ buồng in 30 °C Nghiên cứu của Supaphorn Thumson [23] cũng đã chỉ ra rằng nhiệt độ môi trường in cao sẽ làm tăng sự liên kết giữa các lớp Tuy nhiên, khi các mẫu TPU được in ở nhiệt độ 60 °C, sự liên kết giữa các lớp quan sát được là rất kém Các sợi nhựa không liên kết chặt chẽ với nhau, thay vào đó có sự tách biệt giữa chúng, các sợi nhựa không liên kết thành một khối với nhau giống như tại 30 và 45 °C dẫn đến sự liên kết giữa các lớp in yếu hơn để chống lại lực kéo Có thể thấy nhiệt độ buồng in tăng trong khoảng từ 30 đến

45 °C làm tăng độ bám dính giữa các lớp nhựa in của vật liệu TPU nhưng nếu nhiệt độ buồng in tăng quá cao vượt trên 45 °C có thể gây ra sự phân tách giữa các lớp làm giảm độ bền kéo của mẫu in Một nghiên cứu của Duong Le [15] cũng đã chỉ ra rằng, nhiệt độ in ảnh hưởng mạnh đến độ co ngót và tính chất cơ học của vật liệu TPU, cụ thể là độ bền kéo và mô đun đàn hồi Nhiệt độ in ảnh hưởng đến sự liên kết giữa các lớp bởi ảnh hưởng của nhiệt độ làm thay đổi tỷ lệ liên kết giữa các sợi nhựa được in

Vì khi nhiệt độ in đạt tới một ngưỡng nhất định, các lớp in sẽ dễ dàng liên kết với nhau hơn, từ đó làm tăng độ bền liên kết giữa các lớp Tuy nhiên, nhiệt độ in cao có xu hướng phá hủy chuỗi phân tử trong vật liệu polymer, dẫn đến giảm các tính chất cơ học của vật liệu.