CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Công nghệ in 3D SLS
2.1.1. Nguyên lý thiêu kết bột nhựa bằng laser
Thiêu kết Laser chọn lọc (SLS) là tạo ra các bộ phận nhựa bằng cách liên kết các lớp
vật liệu liên tiếp. SLS là được một phần của công nghệ đắp lớp (AM) - được coi là một phần của ngành công nghiệp cách mạng. AM nói chung bao gồm nhiều công nghệ khác nhau, thường được chung la “IN 3D” trên các tạp chí và các ấn phẩm phổ biến khác. Sản xuất đắp lớp là công nghệ trái ngược với gia công truyền thống như: khoan, phay và mài, trong đó vật liệu được loại bỏ để đạt được hình dạng mong muốn. Trong toàn bộ lĩnh vực công nghệ AM hiện có, SLS được coi là thuận lợi nhất tiếp cận cho các chi tiết nhựa thích hợp cho ngành công nghiệp [5].
Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác
dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu
được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một khoảng trống định mức. Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt không thực sự làm chảy chất bột, làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc. Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng. Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương
pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày
lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành ([1], trang 9,10).
2.1.2. Các loại vật liệu được dùng cho công nghệ in 3D SLS
Công nghệ in 3D SLS là một trong những công nghệ phổ biến và được sử dụng rộng
rãi nhất hiện nay, cũng là công nghệ duy nhất cho phép tạo các mẫu có hóa tính và lý tính giống như vật liệu ban đầu. Không giống như những công nghệ in 3D khác đang có trên thị trường như FDM (Fused Deposition Modeling) dùng các sợi nhựa, SLA
(Stereolithography) dùng nhựa lỏng,… SLS sử dụng vật liệu dạng bột để tạo ra các sản phẩm bằng cách dùng năng lượng tia laser thêu kết vật liệu in theo lớp mặt cắt, làm chúng kết dính tại những chỗ tiếp xúc.
Polyamide 12 (PA 12) là lựa chọn chính và gần như độc quyền. Hợp chất PA 12 hoặc
PA 12 nguyên chất (hỗn hợp khô) thực sự được sử dụng trong hầu hết các hệ thống
thương mại. Polyamide 11 (một họ hàng gần của PA12) cũng phải chịu các hệ thống SLS với thành công vừa phải mặc dù một số thuộc tính đáng chú ý. Các loại polime khác lạ như PE(E)K, các loại chất đàn hồi (TPE, TPU, PEBA) và các polyamit khác (PA 6) được thương mại hóa với sự phát triển nhưng mức độ phổ biến vẫn còn hạn chế. Đặc biệt là một bước đột phá theo hướng polyme hàng hóa bán tinh thể như polypropylen (PP) hoặc polyetylen (HDPE, LLDPE) để mở các phân khúc thị trường mới cho công nghệ SLS vẫn
15
còn thiếu. Đối mặt với sự hiểu biết còn hạn hẹp về nhựa, nên có rất nhiều lựa chọn khác.
Lý do cho lựa chọn vật liệu hạn chế này? Còn các polime vô định hình như polycarbonate (PC) hay ABS thì sao? Để mà trả lời những câu hỏi này và đưa ra một hướng dẫn để sản xuất các tài liệu SLS thành công sự kết hợp đặc tính cụ thể, cần thiết để chuyển một polymer thông thường thành bột SLS thành công, là rất quan trọng [5].
Trong đề tài này, vật liệu được chọn để tiến hành nghiên cứu và thí nghiệm là bột nhựa LDPE.
2.1.3. Vật liệu bột nhựa PE
2.1.3.1. Giới thiệu chung về nhựa PE
Nhựa PE không dẫn nhiệt, dẫn điện và không thấm trong không khí, nước. Polyetylen có độ bền thấp, nhưng bù lại vật liệu sở hữu độ dẻo và độ bền va đập cao. Nó cho thấy sự bền vững rất mạnh dưới những tác động liên tục của ngoại lực. Có thể giảm độ vững chắc của sản phẩm bằng cách thêm các sợi ngắn.
Hầu hết các loại LDPE , MDPE và HDPE của hạt nhựa PE đều có khả năng kháng hóa chất tuyệt vời. Tức có nghĩa là vật liệu này tạo nên những sản phẩm không bị axit hay bazơ mạnh tấn công và chống lại sự oxy hóa và chất khử nhẹ. Các mẫu tinh thể hầu hết không hòa tan ở nhiệt độ phòng. Polyethylene (trừ polyethylene liên kết ngang) có thể được hòa tan ở nhiệt độ cao trong các hydrocacbon thơm như toluene hoặc xylene hoặc trong dung môi clo như trichloroethane hoặc trichlorobenzene.
2.1.3.2. Bột nhựa LDPE
Bột nhựa LDPE là bột nhựa có mật độ Polyethylene thấp (0,91 ÷ 0,94 g/cm3), có mức
độ phân nhánh chuỗi ngắn có nghĩa là các chuỗi không phản ứng với cấu trúc tinh thể. LDPE được tạo ra bằng phản ứng trùng hợp gốc tự do mang lại cho vật liệu tính chất dòng chảy độc đáo. LDPE được sử dụng cho cả thùng cứng và các ứng dụng màng nhựa như túi nhựa và màng bọc,…
Một số thông số cơ bản của nhựa LDPE:
Bảng 2.1 Bảng thông số cơ bản của bột nhựa LDPE
Tính chất của nhựa Thông số
Hình thức Hạt
Thành phần Polyethylene mật độ thấp
Nhiệt độ nóng chảy 108 ÷ 115 (°C)
Mức độ nóng chảy 45 ÷ 55 (g/ph)
Tỉ trọng 0,92 ÷ 0,94 (g/cm3)
Kích thước hạt 80 ÷ 300 (μm)
16
2.2. Các tiêu chuẩn thử kéo cho sản phẩm nhựa
Hiện nay, tại các khu vực, quốc gia sẽ có những tiêu chuẩn để kiểm nghiệm độ bền nói
chung và độ bền kéo nói riêng của chi tiết, sản phẩm cần kiểm tra. Các tiêu chuẩn hiện có như: ASTM (American Society for Testing and Materials), ISO (International
Organization for Standardization), JIS (Japan Industrial Standard).
Một số phương pháp thử kéo:
● ASTM-D638 - Phương pháp thử tiêu chuẩn đối với các đặc tính của nhựa
● ASTM-D412 - Phương pháp tiêu chuẩn cho cao su lưu hóa và chất đàn hồi nhiệt dẻo ● ASTMD882 - Phương pháp thử tiêu chuẩn cho tính chất kéo của tấm nhựa mỏng ● ISO-1421-- Vải bọc cao su hoặc plastic - Xác định độ bền kéo và độ giãn dài khi nghỉ
● ISO-37 - Cao su lưu hóa hoặc nhựa nhiệt dẻo - Xác định tính căng thẳng của ứng suất,…
Trong đề tài này, phương pháp thử kéo được áp dụng là ASTM-D638. Chi tiết mẫu thử
và cách tiến hành sẽ được trình bày trong Chương 3.
2.3. Các thông số in 3D ảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm
Trong công nghệ in 3D nói chung, ngoài vật liệu chế tạo sẽ ảnh hưởng đến độ bền của
chi tiết như nhựa ABS, PLA, PA, PE,… thì các thông số cài đặt cũng ảnh hưởng không nhỏ đến độ bền của chi tiết, đặc biệt là độ bền kéo của chi tiết sau khi chế tạo.
Cụ thể, trong đề tài này các thông số được chọn để nghiên cứu sự ảnh hưởng đến độ bền kéo sản phẩm là:
● Công suất của đầu laser (P)
● Tốc độ di chuyển bàn in (Feed rate)
● Bề dày vỏ (Shell)
● Chiều cao mỗi lớp in (Layer height)
● Mật độ điền đầy (Infill destiny),..
Thay đổi một hoặc nhiều thông số sẽ làm thay đổi độ bền của chi tiết sau khi in, chính
vì thế lựa chọn một chế độ in phù hợp để đạt được độ bền cao nhất hay phù hợp nhất với nhu cầu của sản phẩm là một điều cần thiết.
17