Nghiên cứu phân tích vật liệu Onyx, ứng dụng trong công nghệ in 3D

Nghiên cứu tập trung vào phân tích thành phần vật liệu làm cơ sở cho việc chế thử và ứng dụng cho thiết bị in 3D. Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng là FTIR, XRD, SEM-EDX, TGA, DSC và phương pháp phân tích hóa học. Kết quả phân tích cho thấy, vật liệu Onyx được làm từ polyamide 6 và sợi cacbon có kích thước nhỏ hơn 100µm với hàm lượng sợi khoảng 27 % khối lượng, trong thành phần Onyx không có phụ gia vô cơ.

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VẬT LIỆU ONYX, ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ IN 3D Đinh Thế Dũng*, Khuất Hồng Bình, Nguyễn Thu Hương, Hồng Anh Tuấn, Phan Văn Cường, Lê Hữu Thành, Nguyễn Trần Hùng Tóm tắt: Onyx vật liệu composite có vật liệu nhựa polyamide gia cường sợi cacbon cắt nhỏ hãng Markforged sản xuất ứng dụng cho cơng nghệ in 3D Onyx có tính vượt trội so với loại vật liệu khác độ bền uốn 81 MPa so với polyamide 32MPa, cứng gấp 3.5 lần so với polyamide 1.4 lần so với ABS Khi kết hợp Onyx với vật liệu gia cường khác cho sản phẩm có độ bền kéo đứt 700 MPa, cao so với nhơm 6061-T6, cứng 27 lần có độ bền kéo đứt 24 lần so với vật liệu ABS ưu điểm khác Onyx vật liệu in 3D sử dụng mà sản phẩm không cần xử lý sau in Nghiên cứu tập trung vào phân tích thành phần vật liệu làm sở cho việc chế thử ứng dụng cho thiết bị in 3D Các phương pháp nghiên cứu sử dụng FTIR, XRD, SEM-EDX, TGA, DSC phương pháp phân tích hóa học Kết phân tích cho thấy, vật liệu Onyx làm từ polyamide sợi cacbon có kích thước nhỏ 100µm với hàm lượng sợi khoảng 27 % khối lượng, thành phần Onyx phụ gia vơ Từ khóa: Vật liệu in 3D; Onyx; Composite MỞ ĐẦU C ng nghệ in D ang ngày àng tr nên h iến th trường gi i, t h ng nghệ hế t o ật liệu u h ng ng nghệ 4.0 Th o nghiên u a C ng ty ohl r A o iat , huyên tư ấn ề ng nghệ hiến lư l nh in D oanh thu t t ng nghệ in 3D nă 2015 khoảng tỉ la, nă 2016 6,1 tỉ la, nă 2017 7, tỉ la D o n ến 2020 ẽ tăng lên 21 tỉ la tỉ la nă 202 [1] Vậy ng nghệ in D t i ao l i ngày àng h iến gi i C ng nghệ in D u trình hế t o ật liệu th o hương h ế t ng l t o nên t th hiều a t hình t o n Phương h th hế t o ật liệu kết ấu h t , kh ao t h ễ àng i tiết kiệ nguyên ật liệu t i ưu C th hế t o ật liệu i hình ng i nguyên ật liệu kh tùy th o yêu ầu t nh hất a ản h C ản h a ng nghệ in D a ng T ật ng th ng thường vât ng gia ình: àn, ghế, t , ến ản h ao ấ nhà , xe ô tô, ho ản h thù ng hận y ay, tên l a th n ng ơ, ng ơ, [2, 3] Đa hần ản h a ng nghệ in D t ật liệu o o it i t nh ền nh Trong nghiên u n i ật ề ật liệu o o it ho ng nghệ in 3D ật liệu ny h ng ark org ản uất th nhiều t nh ưu iệt ny ật liệu o o it nh a nhiệt o olya i i ật liệu gia ường i on t nh [4] ny òn ng ật liệu ật liệu o o it gia ường i i a on, k lar, th y tinh, t o ẫu ật liệu ền kéo t > 700 Pa, ao o i nh 6061-T6, ng gấ 27 lần ền gấ 24 lần ABS [5] Vì ậy, h ng t i tậ trung nghiên u h n t h ật liệu ny hế t o ng ng lo i ật liệu ng nghệ in D hế t o ản h h u hòng, giả hi h ua nguyên liệu t h thu nư ngồi Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9- 2020 37 Hóa học Kỹ thuật mơi trường THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu Vật liệu ny , olya i ản uất i h ng ark org 2.2 Thực nghiệm ẫu i ny hòa tan a it or i 85%, au tiến hành l lo i kết t a, ung h au l i kh , ản h au àng nh a thấy hình Hình Mẫu phân tích: a - Mẫu sợi Onyx; b- Màng nhựa sau xử lý C hương h ng h n t h ẫu: + Ph n t h h hồng ngo i (FTIR): ằng thiết Bruk r TENS R II àng nh a thu au o FTIR i kh ng kh i th ng o au: Dải ng uét 400-4000 cm-1; Đ h n giải: 4; Chế o tr nền; lần uét:16 + Ph n t h nhiễu tia ( RD): ằng thiết nhiễu tia PERT PR o ẫu h n t h: àng nh a Th ng o ẫu: ải g o t ến 90o; o 0,1o; thời gian o ỗi o gi y; Kα1 =1,54046 Ȧ ; Kα2 = 1,5444 Ȧ; Kβ=1, 9225 Ȧ; Nguồn h t lư ng: 45 KV, 40 mA + Ph n t h nhiệt tr ng lư ng (TGA): ằng thiết La y TG/DSC 1600 ẫu h n t h: i ny , olya i i a on Th ng o: t gia nhiệt 10 o C/ h t Dải nhiệt nhiệt hòng ến 900 oC i trường o: kh ng kh + Ph n t h nhiệt uét i (DSC): ằng thiết La y DSC1 1, SETARA Dải nhiệt: nhiệt hòng ến 00 oC, t gia nhiệt oC/phút + Phương h h k nh hi n i iện t uét t n lư ng tia (SE – ED ): ằng thiết 6610LA J ol ẫu h n t h: i ny Th ng o: h ng i: 00; ải lư ng: 0-20 keV + Phương h h n t h h a h nh hà lư ng i a on th o tiêu hu n TCVN 10594-2014 (quy trình A3) ẫu h n t h: i ny C hu n th ng th o tiêu hu n i giấy l ng giấy l hat an ường k nh lỗ 5µ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Xác định vật liệu àng nh a au t h h n t h FTIR, kết uả trình ày hình D a o nh h hồng ngo i a ẫu nh a a ật liệu ny (hình 1a) h hu n a olya i (hình ) Đ trưng a liên kết N-H olya i -1 th ỉnh 01 - ao ng h a tr ất i ng a nh N-H; ỉnh 085 -1 -1 cm - ao ng h a tr i ng a liên kết N-H [6-8]; ỉnh 1546 - ao ng iến 38 Đ T Dũng, … , N T Hùng, “Nghiên cứu phân tích vật liệu … cơng nghệ in 3D.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ng a N-H [6] Đ trưng a ao ng liên kết nh a onyl C= th ỉnh -1 1639 cm-1 [6] C ỉnh kh 29 2865 cm-1 th ao ng a liên kết C-H a nh CH2 tương ng i ao ng h a tr ất i ng i ng [6]; ỉnh 1463 cm-1 - ao ng iến ng t t hẳng a C-H CH2 [6-8], ao ng -1 iến ng t hẳng uất ỉnh 1265 1202 cm-1 [6] Ngoài ra, dao -1 ng a ng (CH2)4 th ỉnh [6] Hình Phổ hồng ngoại FTIR: a – Màng nhựa; b – PA6 Th o h hu n a olya i (PA6) ung ấ i hần ề a h ng Bruk r (hình ), th thấy ật liệu ny ỉnh trưng trùng i ỉnh a ật liệu PA6 hù h i th ng tin ung ấ t nhà ản uất ark org Ngoài ra, ẫu h n t h ằng hương h TGA ng thê kết luận ề ật liệu i ỉnh trưng a olya i Hình h h n t h nhiệt TGA a ẫu: ny olya i ản uất i h ng ark org Kết uả ho thấy: nhiệt 460 oC ny olya i ều h n h y ất kh i lư ng tương ng 60% 80% Ở nhiệt 700 oC Onyx olya i tiế t ất kh i lư ng òn l i ản h trung gian a u trình h n h y ầu tiên [9] Hình Phân tích nhiệt TGA mẫu vật liệu Onyx, polyamide 3.2 Xác định vật liệu gia cường Vật liệu gia ường u nh i h SE -ED Kết uả h h trình ày hình Kết uả h ho thấy, ật liệu gia ường i a on i k h thư i khoảng 10100 µm Hà lư ng i gia ường nh th o TCVN 10594-2014: C= Trong * 100% (1) : C: Hà lư ng i a on ( hần tră kh i lư ng); m1: Kh i lư ng ẫu au l (g); m2: Kh i lư ng ẫu an ầu (g) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9- 2020 39 Hóa học Kỹ thuật mơi trường Kết uả th nghiệ ho kết uả hà lư ng i a on C ~ 27% a b Hình Chụp kính hiển vi điện tử SEM (a) tán sắc lượng EDX (b) mẫu Onyx Vật liệu ny ật liệu o o it ật liệu gia ường i on t nh k h thư t 10 - 100µ hiế khoảng 27% kh i lư ng ẫu Ngoài ra, t kết uả ED th thấy, thành hần a ẫu ny kh ng h a h gia 3.2 Xác định số tính chất nhiệt vật liệu Nhiệt n ng hảy nhiệt huy n th y tinh a ẫu ật liệu ny h n t h nhiệt DSC i kết uả trình ày hình 5a T kết uả h n t h ho thấy ẫu ật liệu ỉnh hấ thu nhiệt tương ng i ỉnh t i nhiệt 59 oC, 211 oC 264 oC Đỉnh ầu tiên 59 oC tương ng i nhiệt huy n th y tinh a ật liệu Hai ỉnh 211 oC 264 oC tương ng i u trình n ng hảy ật liệu i thành hần kết ấu tinh th kh nhau: t kết ấu tinh th α, òn l i kết ấu tinh th γ [10, 11] Điều h ng inh th ng ua kết uả phân tích XRD (hình 5b) Hình Phổ DSC (a) XRF (b) Onyx T th ng nthal y th t nh to n hà lư ng tinh th ật liệu a o nh nhiệt lư ng hấ thu i i ật liệu kết ấu tinh th 100% [12] Bảng Một số thông số nhiệt mẫu vật liệu Pha tinh Nhiệt độ bắt đầu nóng Nhiệt độ nóng Enthalpy Mức độ tinh o o thể chảy ( C) chảy ( C) (J/g) thể (%) γ 196.94 211.40 28.99 12.6 α 241.47 264.70 13.51 5.9 KẾT LUẬN Vật liệu ny ật liệu PA i nhiệt huy n h a th y tinh 59 oC, thành hần a PA tinh th ga a al i tỷ lệ 2,1:1 Vật liệu gia ường a ny i a on ường k nh khoảng 10 μ , hiều ài 10100μ hiế khoảng 27% kh i lư ng ật liệu 40 Đ T Dũng, … , N T Hùng, “Nghiên cứu phân tích vật liệu … cơng nghệ in 3D.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong thành hần ật liệu kh ng h a thành hần h gia TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wohlers report 2018, “3D printing and Additive Manufacturing State of the Industry”, Wohlers associates, 344 pages [2] Hod Lipson and Melba Kurman, “Fabricated: The New World of 3D Printing”, John Wiley and Son 2013, 301 pages [3] Nguyễn u n Ch nh, “Công nghệ in 3D đột phá vào ngành nghề”, Nhà uất ản B h Khoa 2016, 19 [4] http://static.markforged.com/downloads/composites-data-sheet.pdf [5] https://markforged.com/download/3628/ [6] Mistry B.D., “A handbook of spectroscopic data chemistry”, Offord book company, 242 pages [7] Mária Porubská et al., “FTIR spectroscopy study of polyamide-6 irradiated by electron and proton beams”, Polymer degradation and stability 97 (2012), page 523-531 [8] Kett P., “Crystallinity in linear polyamides: a study using melt blending with smallmolecule diluents”, Thesis University of South Australia 2004 Appendix C, p.335-337 [9] Pauline Tranchard et al., “Kinetic analysis of the thermal decomposition of a carbon fibre-reinforced epoxy resin laminate”, Journal of Analytical and Applied pyrolysis 126 (2017), page 14-21 [10] Vasanthan N., Salem D.R., “Polymer Physics”, Journal of Polymer Science Part B, Vol 39 (2001) 536-547 [11] Klata E., Borysiak S., “Fibres and textiles in Easten Europe”, Vol 12(2004), 64-69 [12] TN 48, “Polymer Heats of Fusion”, TA Instruments, New Castle, DE ABSTRACT RESEARCH ON ANALYZING ONYX MATERIALS, APPLIED IN 3D PRINTING TECHNOLOGY Onyx material is a combination of polyamide and chopped carbon fiber, manufactured by Markforged and applied for 3D printing equipment Materials have outstanding properties in the comparison with other materials, applied in 3D printing for composite such as 81 MPa flexural strength in the comparison with 32 MPa of polyamide, stiffer than polyamide about 3.5 times, stiffer than ABS about 1.4 times Tensile strength is more than 700 MPa when it is combined with reinforcement, higher than aluminum, 27 times stiffer and 24 times stronger than ABS material, and especially does not need to post-processing after printing Our research focuses on the analysis procedure for Onyx and results will be used for the next steps of manufacturing and application in composite 3D printing techniques In addition to chemical analysis methods, some methods as FTIR, XRF, EDX, SEM, TGA, DSC have been used The results show that Onyx has been made of polyamide and chopped carbon fiber with a length less than 100μm and content of carbon approximately is 27 wt% and without any metallic trace Keywords: 3D printing; Composite material; Onyx Nhận ngày 15 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện H a h - Vật liệu, Viện Khoa h *Email: gnudktvn@gmail.com C ng nghệ u n Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9- 2020 41 ... Hùng, ? ?Nghiên cứu phân tích vật liệu … cơng nghệ in 3D. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong thành hần ật liệu kh ng h a thành hần h gia TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wohlers report 2018, ? ?3D printing... N-H [6-8]; ỉnh 1546 - ao ng iến 38 Đ T Dũng, … , N T Hùng, ? ?Nghiên cứu phân tích vật liệu … cơng nghệ in 3D. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ ng a N-H [6] Đ trưng a ao ng liên kết nh a onyl C= th... tiên [9] Hình Phân tích nhiệt TGA mẫu vật liệu Onyx, polyamide 3.2 Xác định vật liệu gia cường Vật liệu gia ường u nh i h SE -ED Kết uả h h trình ày hình Kết uả h ho thấy, ật liệu gia ường i