Công nghệ in 3D (AM) – kỹ thuật in – 3D FDM

4. Kiến nghị và câu hỏi:

1.1.2.Công nghệ in 3D (AM) – kỹ thuật in – 3D FDM

Công nghệ in – 3D cũng được biết đến như là sản xuất đắp lớp hoặc tạo mẫu nhanh, đã tồn tại trong nhiều thập kỷ. Công nghệ tạo mẫu nhanh ra đời lần đầu tiên ở Mỹ, vào thập niên 80 những năm 1984 bởi Charles W.Hull mang tên “công nghệ tạo mẫu lập thể SLA”. Công nghệ này rất tốn kém và không khả thi cho thị trường trong nhưng ngày đầu phát triển. Tuy nhiên, khi chuyển sang thế kỷ 21 công nghệ này đã được áp dụng vào nhiều ngành công nghiệp với việc chi phí giảm đáng kể. Công nghệ in – 3D hoạt động theo cách rất giống với máy in phun tiêu chuẩn, tuy nhiên, thay vì phun các giọt mực lên trên giấy, máy in 3D đùn vật liệu đắp lớp để chế tạo vật thể ba chiều. Thuật ngữ additive manufacturing (AM) bao gồm nhiều công nghệ bao gồm các tập hợp con như in 3-D, tạo mẫu nhanh (RP), sản xuất kỹ thuật số trực tiếp, sản xuất nhiều lớp và chế tạo đắp lớp [6,40].

Tạo mẫu nhanh (RP) là quá trình tạo ra các vật thể có hình dạng ba chiều (3D) thông qua sự lắng đọng từng lớp vật liệu lặp đi lặp lại và xử lý các lớp vật liệu bằng thiết bị điều khiển bằng máy tính. Nó dựa trên cơ sở dữ liệu mặt cắt ngang hai chiều (2D) từ việc cắt một mô hình thiết kế trên máy tính (CAD) của đối tượng. Hiện tại, có rất nhiều công nghệ RP bao gồm tạo mẫu lập thể (SLA), thiêu kết laser chọn lọc (SLS), mô hình lắng động nóng chảy (FDM) và in ba chiều (3DP) [5,15].

9 Công nghệ FDM là phương pháp tạo mẫu bằng cách rải vật liệu sợi nhựa nóng chảy và đắp từng lớp lặp đi lặp lại để tạo thành vật thể ba chiều. Bên cạnh phần cứng như thiết bị, nguyên vật liệu cũng có thể được yêu cầu xử lý cẩn thận. Các nguyên liệu được sử dụng trong một số quá trình AM có hạn chế về thời gian sử dụng và cũng có thể được yêu cầu phải được lưu giữ trong điều kiện ổn định tránh các phản ứng hóa học không mong muốn, cũng như tránh tiếp xúc với độ ẩm, ánh sáng và các chất bẩn khác. Hầu như vật liệu đã gia công có thể được tái sử dụng cho nhiều lần khác. Tuy nhiên, cần chú ý sự suy giảm tính chất vật liệu nếu thực hiện nhiều lần tái tạo để sử dụng, và do đó cần chú ý quy trình giám sát để duy trì chất lượng vật liệu phù hợp trong quá trình tái chế. Lưu ý rằng FDM hoạt động tốt nhất với nguyên liệu là các polyme vô định hình hơn là các polyme kết tinh. Điều này là do trong trạng thái gia công thì polyme ở trạng thái nhớt, không phải ở trạng thái độ nhớt thấp. Ở trạng thái vô định hình, polyme không có điểm nóng chảy rõ rệt và vật liệu rắn ngày càng mềm đi cùng với đó là độ nhớt giảm khi tăng nhiệt độ. Độ nhớt tại đó các polyme vô định hình có thể được ép dưới áp suất đủ cao mà hình dạng sau cùng sẽ được phần lớn duy trì sau khi đùn, duy trì hình dạng đùn và tạo điều kiện để nguyên liệu định hình hóa rắn một cách nhanh chóng và thuận lợi. Hơn nữa, khi vật liệu được thêm vào trong một đường liền kề (tiếp nối với lớp vật liệu trước) hoặc như là một lớp mới thì vật liệu được đùn trước đó có thể dễ dàng liên kết với nó [9].

Công nghệ đắp lớp và các hệ thống khác được sử dụng để sản xuất một số mặt hàng thích hợp trong nhiều ngành công nghiệp. Các thuật ngữ in 3-D và sản xuất đắp lớp đã trở nên thay thế cho nhau. Thuật ngữ AM “sản xuất đắp lớp” dùng để chỉ công nghệ, quy trình cộng gộp hoặc quy trình cộng gộp của nhau, tạo ra các lớp vật liệu mỏng liên tiếp với nhau, tạo ra một sản phẩm ba chiều cuối cùng. Mỗi lớp có độ dày khoảng 0,1 đến 0,4 mm. Một loạt các vật liệu có thể được sử dụng, cụ thể là: nhựa nhiệt dẻo, nhựa thông, cao su, gốm sứ, thủy tinh, bê tông và kim loại. Tạo mẫu nhanh đề cập đến ứng dụng của công nghệ. Đây là ứng dụng đầu tiên cho AM, hỗ trợ cho việc tăng thời gian tiếp thị và đổi mới. Nó có thể được gọi là quá trình nhanh chóng tạo ra một mô hình (nguyên mẫu của một phần hoặc hoàn thành tốt). Phần này hoặc thành phẩm tốt sẽ được kiểm tra và xem xét kỹ lưỡng trước khi sản xuất hàng loạt. Hầu hết các máy in 3D thương mại có chức năng tương tự. Máy in sử dụng thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD) để dịch thiết kế thành một đối tượng ba chiều. Thiết kế sau đó được cắt thành nhiều mảng hai chiều, định hướng máy in 3D tạo các lớp vật liệu lên printbed [38].

Công nghệ in – 3D hỗ trợ rất nhiều cho người thiết kế và những nhà sản xuất có thể kiểm tra các chi tiết hay hệ thống được thiết kế trước khi cấp vốn để sản xuất hàng loạt. Các công nghệ in-3D đã giúp các nhà sản xuất đẩy nhanh việc thiết kế sản phẩm,

10 hạn chế sai sốt không đáng có trong quá trình thiết kế và sản xuất [7]. Về cơ bản công nghệ tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu sản phẩm giúp người sản xuất quan sát nhanh sản phẩm cuối cùng. Quá trình tạo mẫu được hỗ trợ bởi các phần mềm CAD giúp thiết kế nhanh sản phẩm, các phần mềm cắt lớp.

Sự phát triển của các sợi FDM nhựa nhiệt dẻo mới là một trong những thách thức quan trọng nhất trong ngành in 3D. Các sợi phổ biến nhất là acrylonitrile - butadiene styrene (ABS) và Poly(lactic acid). Về sau, người ta đã chỉ ra rằng sự phân bố khối lượng mol, mức độ phân nhánh, chất phụ gia và cấu hình của chất đối lập L và D ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy, từ đó ảnh hưởng đến độ nhớt và chất lượng in. Các đặc tính chính của polyme để kiểm soát khả năng in và chất lượng sản phẩm cuối cùng là nhiệt độ chuyển thủy tinh, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt dung riêng, độ nhớt và ứng suất cắt [11].

Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM hiện nay được sử dụng khá nhiều với kết cấu đơn giản, thời gian in ngắn, chi phí thấp. Nó ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học như: kỹ thuật cơ khí, y sinh, khuôn mẫu, công nghệ giải trí, kiến trúc và xây dựng, ô tô, quốc phòng, hàng không vũ trụ…. Tại Việt Nam, trường Đại học Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu, chế tạo thành công hệ thống tạo mẫu nhanh như: VINAFDM 2015, Model REPBOX-1E, MarBox Model REPBOX-1E, Delta Printer Model DEM, Delta Printer Model DES, Prusa Printer MODEL PRUM – 2E, REPMARBOX Model REPBOX – 2E, Prusa Printer Model PR - 1E. Tuy nhiên, chất lượng sản phẩm lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: nhiệt độ đùn, tốc độ đùn, tốc độ chạy máy, nhiệt độ buồng, chiều dày cắt lớp Z… [2].

Ngoài ra, cùng một loại vật liệu nhưng có thể sử dụng nhiều màu sắc khác nhau để tạo ra những chi tiết yêu cầu nhiều màu sắc. Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM tạo cơ tính tốt cho vật liệu tạo mẫu là nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của công nghệ này, bởi vì nó đáp ứng tối đa các yêu cầu đặt ra của người sử dụng vật liệu. Quá trình tạo mẫu nhanh FDM không giống như công nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm mà Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đơn giản hơn rất nhiều. Thiết bị tạo mẫu nhanh FDM hoạt động đơn giản, độ chính xác cao, bảo dưỡng dễ dàng. Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi, và do đó sẽ không gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Thiết bị hoạt động tạo ra ít tiếng ồn. Công nghệ đùn vật liệu tạo mẫu nhanh FDM được thiết kế như một máy in, chiếm diện tích nhỏ trong các studio thiết kế. Công nghệ FDM phù hợp với hệ thống máy tính sản xuất sử dụng trong một môi trường văn phòng có kích thước nhỏ, bảo trì đơn giản, ít tiếng ồn, ít ô nhiễm, chi phí thấp[4].

11 Công nghệ in – 3D FDM có những ưu điểm như: có thể chế tạo với hình dạng và kích thước tự do, giá rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc, in với số lượng lớn, ít tốn nguyên vật liệu, tốc độ tạo mẫu nhanh. Những nhược điểm: độ chính xác không cao, khả năng chịu lực không đồng nhất giữa các trục tọa độ.

Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết tạo mẫu nhanh FDM: Nhiệt độ đùn, vận tốc đùn, chiều dày cắt lớp, độ co rút vật liệu,…

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM:

Hình 1.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy in 3D FDM [4].

Nguyên lý hoạt động của FDM là “đắp từng lớp vật liệu” để hoàn thành chi tiết in. Ở vị trí ban đầu bàn in cách vòi phun một khoảng bằng chiều dày lớp in. Sợi nhựa được đưa vào vòi phun nhờ hệ thống bánh răng đẩy nhựa một cách liên tục. Tại đầu phun, nhựa được đùn nóng chảy ở khoảng nhiệt độ thích hợp bởi bộ phận gia nhiệt. Dòng nhựa nóng chảy được đùn ra theo biến dạng dịch chuyển của đầu phun [10]. Sau khi lớp thứ nhất hoàn thành bàn in sẽ dịch xuống một khoảng bằng chiều dày lớp in ban đầu. Quá trình tiếp tục cho đến khi hoàn thành sản phẩm.