Nghiên cứu công nghệ sla (stereolithography) chế tạo máy in 3d cho một số dung dịch nhựa

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.66 MB, 75 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH MINH ĐĂNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SLA
(STEREOLITHOGRAPHY): CHẾ TẠO MÁY IN 3D CHO
MỘT SỐ DUNG DỊCH NHỰA

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã ngành: 60520101

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 01 năm 2019

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Giáo sư Tiến sĩ Nhà giáo Nhân dân Ngô Kiều Nhi
Cán bộ nhận xét 1: ……………………………………………………
Cán bộ nhận xét 2: ……………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày
..... tháng ..... năm 2019.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ……………………………………………………………………………….
2. ……………………………………………………………………………….
3. ……………………………………………………………………………….
4. ……………………………………………………………………………….
5. ……………………………………………………………………………….
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HUỲNH MINH ĐĂNG

MSHV: 1670286

Ngày, tháng, năm sinh: 03/03/1991

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã ngành: 60520101

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu công nghệ SLA (Stereolithography): chế tạo máy in
3D cho một số dung dịch nhựa
II. NHIỆM VỤ VÀ NỢI DUNG:

•
•
•
•

Nghiên cứu cơng nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp SLA.
Tính tốn – thiết kế thử nghiệm máy in 3D theo công nghệ SLA.
Chế tạo máy in 3D.
Thử nghiệm máy in 3D.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/01/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi
Tp. HCM, ngày …. tháng … năm 2019.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và Chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và Chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và Chữ ký)

Lời cảm ơn
Nội dung luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu công nghệ SLA (Stereolithography): chế tạo
máy in 3D cho một số dung dịch nhựa” được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học
của GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi – bộ môn Cơ Kỹ Thuật, khoa Khoa học Ứng
dụng, trường Đại học Bách khoa thành phố Hờ Chí Minh. Nhân cơ hội này, em xin

gởi lời cảm ơn và lời chúc sức khỏe chân thành đến cô, người đã truyền đạt những
kiến thức quý báu cũng như động lực giúp em vượt qua những khó khăn trong quá
trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Quang Thành – cán bộ tại phịng thí
nghiệm Cơ ứng dụng, đại học Bách khoa thành phố Hờ Chí Minh đã tận tình giúp
đỡ trong quá trình thu thập tài liệu và quá trình thiết kế - chế tạo máy in.
Xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô và bạn bè trong khoa Khoa học Ứng dụng,
những người đã luôn ủng hộ và tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện
luận văn này.
Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến Ba, Mẹ, các anh chị em trong gia đình đã ủng
hộ, quan tâm và động viên em trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách
khoa Thành phố Hờ Chí Minh.
Xin chân thành cảm ơn
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01, năm 2019
Huỳnh Minh Đăng

Tóm tắt luận văn
Trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0, công nghệ in sản phẩm phức tạp ứng
dụng công nghệ cao phát triển vơ cùng nhanh chóng. Cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của tin học và công nghệ thông tin, công nghệ in 3D ngày càng trở nên đa dạng
và hồn thiện. Khởi ng̀n từ thập kỷ 80 của thế kỷ 20, công nghệ in 3D ngày nay
dần trở nên phổ biến và đa dạng hơn. Các máy in 3D ngày càng được thiết kế, chế
tạo “nhỏ hơn, gọn hơn” góp phần cải thiện về yếu tố không gian. Bên cạnh đó, vật
liệu in cũng là vấn đề vô cùng quan trọng trong công nghệ in 3D, yếu tố quyết định
trực tiếp đến chất lượng và thời gian in.
Tại Việt Nam, Công nghệ in 3D đã và đang thu hút rất nhiều sự quan tâm và ứng
dụng vào quy trình sản xuất. Với những thành tựu đã và đang đạt được của công nghệ
in 3D trên toàn thế giới, ngành công nghệ in 3D tại Việt Nam đang dần trở nên “nóng”
hơn bao giờ hết. Với xu hướng đó, dần dần bắt đầu xuất hiện các máy in 3D “Made

in Việt Nam” được áp dụng cho ngành công nghiệp in trong nước. Các máy in này
dần khẳng định vị trí nhờ vào chất lượng không thua kém hàng nước ngồi với chi
phí đầu tư hết sức cạnh tranh.
Luận văn “Nghiên cứu công nghệ SLA (Stereolithography): chế tạo máy in 3D
cho một số dung dịch nhựa” đã được thực hiện nhằm nghiên cứu ứng dụng trong công
nghệ SLA vào việc chế tạo máy in 3D sử dụng cho một số loại dung dịch nhựa. Kết
quả đã chế tạo thành công máy in 3D thử nghiệm sử dụng công nghệ SLA với màn
hình LCD và tia cực tím có bước sóng từ 395 nm đến 400 nm.
Tạo các sản phẩm phức tạp bằng công nghệ in 3D là một trong những đại diện đầu
tiên trong nền tảng nội dung của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Đồng thời với thiết
bị này, luận văn cũng đã tiến hành các nghiên cứu sơ khởi về quy trình thử nghiệm
máy in ứng dụng công nghệ SLA đối với một số loại dung dịch nhựa nhất định.

Abstract
In the industrial revolution 4.0, the technology of printing complex products
applying high technology developed very quickly. Along with the strong
development of information technology and information technology, 3D printing
technology is becoming more and more diverse and perfect. Starting in the 1980s of
the 20th century, 3D printing technology has become more popular today. 3D printers
are increasingly designed, manufactured "smaller, more compact", contributing to
improving the space element. In addition, printing materials are also an important
issue in 3D printing technology, a direct determinant of print quality and time.
In Vietnam, 3D printing technology has attracted a lot of attention and application
in the production process. With the achievements and achievements of 3D printing
technology worldwide, 3D printing technology industry in Vietnam is gradually
becoming more "hot" than ever. With that trend, gradually began to appear 3D printer
"Made in Vietnam" applied to the domestic printing industry. These printers
gradually affirmed their position thanks to the quality not inferior to foreign products
with very competitive investment costs.

The thesis "Research on SLA (Stereolithography) technology: 3D printer
production for a number of plastic solutions" was conducted to research and apply
SLA technology to the production of 3D printers used for some types plastic solution.
The result was successfully tested 3D printer using SLA technology with LCD and
ultraviolet rays with wavelength from 395 nm to 400nm.
Creating complex products with 3D printing technology is one of the first
representatives in the content foundation of the 4.0 industrial revolution.
Simultaneously with this device, the thesis also conducted preliminary studies on the
process of testing SLA application printers for some types of plastic solutions.

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung
thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Mọi sự giúp đỡ cho việc hoàn thành luận văn đã được ghi trong lời cảm ơn. Các thông
tin, tài liệu trình bày trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Huỳnh Minh Đăng

Mục lục
Lời cảm ơn ............................................................................................................... iii
Tóm tắt luận văn ..................................................................................................... iv
Abstract ......................................................................................................................v
Lời cam đoan ........................................................................................................... vi
Mục lục .................................................................................................................... vii
Danh mục các hình ảnh, hình vẽ ..............................................................................x
Danh mục các bảng biểu ........................................................................................ xii
Mở đầu .......................................................................................................................1

Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2
Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu ..........................................................................2
Ý nghĩa khoa học ....................................................................................................2
Ý nghĩa thực tiễn .....................................................................................................2
Chương 1 – Tổng quan về công nghệ in 3D theo phương pháp SLA ...................3
1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................3
1.1.1.

Công nghệ in 3D..................................................................................3

1.1.2.

Lịch sử ngành in 3D ............................................................................4

1.1.3.

Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và đời sống ......................5

1.1.4.

Phân loại các công nghệ in 3D ............................................................9

Chương 2 – Công nghệ SLA ...................................................................................13
2.1. Giới thiệu .....................................................................................................13
2.1.1.

Ưu điểm, nhược điểm của công nghệ SLA .......................................13

2.1.2.

Phương pháp và công nghệ ...............................................................14

2.1.3.

Vật liệu sử dụng trong công nghệ SLA .............................................15

2.1.4.

Khả năng áp dụng công nghệ SLA vào cơng nghệ in 3D .................15

2.1.5.

Tình hình nghiên cứu và phát triển công nghệ SLA .........................15

2.2. Phân loại máy in 3D ứng dụng công nghệ SLA ..........................................18
2.2.1. Phương pháp hướng chuyển động từ trên xuống dưới (Top – Down)....20
2.2.2. Phương pháp hướng chuyển động từ dưới lên trên (Buttom – Up) ........20
2.3. Ng̀n năng lượng bức xạ UV.....................................................................21
2.4. Q trình hấp thụ năng lượng ......................................................................23
2.5. Đường cong làm việc (Working curve) .......................................................25
2.6. Thời gian làm việc .......................................................................................26
2.7. Nhận xét .......................................................................................................27
Chương 3 – Tính tốn thiết kế chế tạo ..................................................................29
3.1. Thơng số máy in ..........................................................................................29
3.1.1.

Cơ cấu chuyển động ..........................................................................30

3.1.2.

Nguồn phát bức xạ UV ......................................................................34

3.1.3.

Tính năng lượng bức xạ UV ..............................................................36

3.1.4.

Lựa chọn dung dịch resin ..................................................................37

3.1.5.

Lựa chọn độ phân giải màn hình LCD ..............................................38

3.2. Xây dựng mơ hình .......................................................................................38
3.4. Chế tạo, lắp ráp ............................................................................................40
3.4.1.

Phần khung cơ khí .............................................................................40

3.4.2.

Phần điều khiển .................................................................................41

3.5. Nhận xét .......................................................................................................43

Chương 4 – Vận hành, Thử nghiệm ......................................................................44

4.1. Mục tiêu .......................................................................................................44
4.2. Quy trình vận hành máy in ..........................................................................44
4.3. Thử nghiệm..................................................................................................46
4.3.1.

Thử nghiệm in đợt 1 ..........................................................................48

4.3.2.

Thử nghiện in đợt 2 ...........................................................................49

4.3.3.

Thử nghiệm in đợt 3 ..........................................................................50

4.4. Nhận xét .......................................................................................................53
Kết luận và kiến nghị ..............................................................................................55
Kết luận .................................................................................................................55
Kiến nghị ...............................................................................................................55
Tham khảo ...............................................................................................................57
PHỤ LỤC 1 – Linh kiện lắp ráp ..............................................................................1
PHỤ LỤC 2 - Hướng dẫn sử dụng máy in ..............................................................2

Danh mục các hình ảnh, hình vẽ
Chương 1
Hình 1. 1. Q trình tạo vật thể 3D từ mơ hình CAD 3D bằng công nghệ in 3D.......3
Hình 1. 2. Máy in 3D đầu tiên được phát minh bởi Chuck Hull.................................4
Hình 1. 3. Q trình phát triển cơng nghệ in 3D .........................................................5
Hình 1. 4. Ứng dụng in 3D trong sản xuất ôtô ............................................................6

Hình 1. 5. Một số bộ phận của cở thể người được in 3D ............................................7
Hình 1. 6. Mơ hình kiến trúc ứng dụng công nghệ in 3D ...........................................7
Hình 1. 7. Khoang động cơ tàu vũ trụ được in 3D bằng inoxel ..................................8
Hình 1. 8. Ứng dụng trong các vật dụng trong gia đình .............................................9
Chương 2
Hình 2. 1. Phương pháp in Top – down và Buttom – up ..........................................19
Hình 2. 2 máy in 3D SLA sử dụng phương pháp in Top - Down .............................20
Hình 2. 3 Máy in 3D DLP theo phương pháp Buttom – up. .....................................21
Hình 2. 4. Hệ tọa độ Gauss .......................................................................................22
Hình 2. 5. Đường cong làm việc (Working curve) ...................................................25
Hình 2. 6. Mối liên hệ giữa đường cong làm việc và cường độ tiếp xúc ..................26
Hình 2. 7. Diện tích và thời gian tạo mẫu .................................................................27
Chương 3
Hình 3. 1. Cấu tạo máy in 3D UV LCD ....................................................................29
Hình 3. 2. Cơ cấu nâng – hạ chi tiết in ......................................................................30
Hình 3. 3. Mơ hình tính lực thanh trượt trong cơ cấu bàn nâng ...............................33
Hình 3. 4. Các thành phần lực trên thanh trượt .........................................................34

Hình 3. 5. Đèn LED phát bức xạ từ 395 – 400 nm ...................................................34
Hình 3. 6. Hệ thống ng̀n tia UV gờm 40 đèn LED với bước sóng 395 – 400 nm 35
Hình 3. 7. Hệ thống đèn LED UV và nhôm tản nhiệt ...............................................35
Hình 3. 8. Đường cong làm việc của một loại resin .................................................36
Hình 3. 9. Đường cong làm việc của FormLabs Tough resin ..................................37
Hình 3. 10. Đường cong làm việc của resin CPS SM472 .........................................38
Hình 3. 11. Mơ hình máy in 3D SLA trên phần mềm Solidworks ...........................39
Hình 3. 12. Mơ hình máy in hồn chỉnh ...................................................................39
Hình 3. 13. Khung máy in bằng nhôm định hình ......................................................40
Hình 3. 14. Sơ đồ kết nối các bộ phận điều khiển trong máy in ...............................41
Hình 3. 15. Mạch raspberry (trái) và mạch arduino tích hợp (phải) .........................42

Hình 3. 16. Các chi tiết được lắp vào các vị trí cố định ............................................42
Chương 4
Hình 4. 1 Một số dụng cụ cần thiết khi sử dụng máy in 3D UV LCD .....................45
Hình 4. 2. Dung dịch resin HEX polymer dùng in thử nghiệm ................................46
Hình 4. 3. Chi tiết nhẫn 3D dùng in thử nghiệm. ......................................................46
Hình 4. 4. Mơ hình chi tiết in thử nghiệm trong phần mềm cắt lớp .........................47
Hình 4. 5. Đường cong làm việc của dung dịch resin HEX Polymer .......................47
Hình 4. 6. Chi tiết in thử nghiệm đợt thứ 1 ...............................................................48
Hình 4. 7. Chi tiết in thử nghiệm đợt thứ 2 ...............................................................49
Hình 4. 8. Chi tiết in thử nghiệm đợt thứ 3 ...............................................................50
Hình 4. 9. Chi tiết in hồn thiện bằng máy in UV LCD ...........................................51
Hình 4. 10. Chi tiết in hoàn thiện với dung dịch đã qua sử dụng .............................52

Danh mục các bảng biểu
Chương 3
Bảng 3. 1. Thông số sơ bộ máy in .............................................................................30
Bảng 3. 2. Thông số một số loại resin .......................................................................37
Chương 4
Bảng 4. 1. Đánh giá chi tiết in đợt thử 1 ...................................................................48
Bảng 4. 2. Đánh giá chi tiết in đợt thứ 2 ...................................................................49
Bảng 4. 3. Đánh giá chi tiết in thử đợt 3 ...................................................................50
Bảng 4. 4. Một số lỗi khác phát sinh trong quá trình vận hành máy in ....................53

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

1

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

Mở đầu
Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời điểm khởi đầu của cách mạng công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công
nghệ in 3D ngày càng được nâng cao yêu cầu chất lượng lẫn độ chính xác về hình
dáng, kích thước. Bên cạnh đó, thời gian và chi phí in ln là yếu tố được đặt lên
hàng đầu cho các nhà sản xuất.
Khởi nguồn từ thập kỷ 80 của thế kỷ 20, công nghệ in 3D ngày nay dần trở nên
phổ biến và đa dạng hơn. Từ buổi đầu sử dụng hệ thống máy móc lớn để chế tạo ra
các sản phẩm thì ngày nay, các máy in 3D ngày càng trở nên “nhỏ hơn, gọn hơn” góp
phần cải thiện về yếu tố không gian. Bên cạnh đó, vật liệu in cũng là vấn đề vô cùng
quan trọng trong công nghệ in 3D, yếu tố quyết định trực tiếp đến chất lượng và thời
gian in.
Cùng với sự phát triển không ngừng của cơng nghệ máy tính, ngành in 3D cũng
có những bước tiến quan trọng trong việc tối ưu công nghệ.
Tại Việt Nam, Công nghệ in 3D đã và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm,
ứng dụng vào quy trình sản xuất. Với những thành tựu đã và đang đạt được của cơng
nghệ in 3D trên tồn thế giới, ngành công nghệ in 3D tại Việt Nam đang dần trở nên
“nóng” hơn bao giờ hết. Với xu hướng đó, dần dần bắt đầu xuất hiện các máy in 3D
“Made in Việt Nam” được áp dụng cho các ngành công nghiệp trong nước. Các máy
in này dần khẳng định vị trí nhờ vào chất lượng khơng thua kém hàng nước ngồi với
chi phí đầu tư hết sức cạnh tranh.
Chính vì những lý do trên, luận văn “Nghiên cứu công nghệ SLA
(Stereolithography): chế tạo máy in 3D cho một số dung dịch nhựa” được thực hiện
dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi và sự hỗ trợ của các
cộng sự tại phịng thí nghiệm cơ ứng dụng, trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc
gia Tp. Hờ Chí Minh.

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

2

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng công nghệ SLA bao
gồm các nhiệm vụ sau:
1. Nghiên cứu công nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp SLA.
2. Tính tốn – thiết kế máy in 3D theo công nghệ SLA.
3. Chế tạo máy in 3D thử nghiệm.
4. Thử nghiệm vận hành máy mơ hình chế tạo.

Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ in 3D theo phương pháp SLA.
Phạm vi nghiên cứu: Cơng nghệ in 3D SLA sử dụng màn hình LCD và tia UV có
bước sóng từ 395 nm đến 400 nm với vật liệu là dung dịch nhựa resin.

Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu cung cấp nhiều thông tin quan trọng trong việc nghiên cứu công
nghệ in 3D sử dụng cơng nghệ SLA vận hành trên màn hình LCD và tia UV có bước
sóng từ 395 nm đến 400 nm.
Kết quả nghiên cứu đưa ra cơ sở dữ liệu quan trọng trong việc hiện thực hóa cơng
nghệ in 3D theo phương pháp SLA.

Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu về phần cứng là 1 mơ hình máy in 3D hoạt động theo cơng
nghệ SLA sử dụng màn hình LCD và tia cực tím có bước sóng từ 395 nm đến 400
nm. Về phần mềm là các thông số công nghệ khuyến nghị trên máy thử nghiệm. Các
kết quả này sẽ góp phần cho các nghiên cứu sâu hơn.

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

3

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

Chương 1 – Tổng quan về công nghệ in 3D theo phương pháp
SLA
Trong vài thập niên gần đây, với sự phát triển vượt bậc của cơng nghệ, đặc biệt là
máy tính và việc quản trị thông tin, nhiều ứng dụng đã được áp dụng vào môi trường
sản xuất thực tiễn. Trong kỹ thuật hiện đại, các nhà thiết kế, kỹ sư và các kỹ thuật
viên đều sử dụng nhiều sự trợ giúp từ máy tính, một cơng cụ đắc lực trong cơng việc
hằng ngày, trong đó có thể kể đến như:
• Thiết kế dưới sự hỗ trợ của máy tính (CAD)
• Sản x́t dưới dự hỗ trợ của máy tính (CAM)
• Kỹ thuật dưới sự hỗ trợ của máy tính (CAE)

1.1.

Giới thiệu chung

1.1.1. Công nghệ in 3D
In 3D là một quá trình tạo ra một đối tượng vật lý từ thiết kế kỹ thuật số. Có nhiều
cơng nghệ và vật liệu in 3D khác nhau mà chúng ta có thể in, nhưng tất cả đều dựa
trên cùng một nguyên tắc: một mơ hình số được biến thành một vật thể vật lý ba chiều
bằng cách thêm lớp vật liệu theo lớp.

Mô hình 3D

Vật thể 3D

Hình 1. 1. Quá trình tạo vật thể 3D từ mơ hình CAD 3D bằng cơng nghệ in 3D

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

4

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

Mỗi bản in 3D bắt đầu bằng một tệp thiết kế 3D kỹ thuật số - giống như bản vẽ
thiết kế cho một đối tượng vật lý. Tệp thiết kế này được cắt thành các lớp mỏng và
sau đó được gửi tới máy in 3D. Việc in có thể mất hàng giờ để hồn thành tùy thuộc
vào kích thước mô hình và thường qua quá trình xử lý sau khi in để đạt được kết quả
mong muốn. Thơng qua q trình in khác nhau sẽ có các cơng nghệ in 3D khác nhau:
phương pháp in lắng đọng (FDM), phương pháp in SLA (Stereolithography), công

nghệ in SLS (Selective Laser Sintering), công nghệ in LOM, Công nghệ in EBM
(Electronic Beam Melting), công nghệ in SLM (Selective laser melting),…Cùng với
sự phát triển ngày càng hiện đại của các cơng nghệ in 3D thì các loại vật liệu phục vụ
cho ngành in 3D cũng xuất hiện ngày càng đa dạng trên thị trường hàng năm từ nhựa
đến cao su đến sa thạch (đá cát), kim loại hay hợp kim.
1.1.2. Lịch sử ngành in 3D
Mặc dù việc in 3D thường được coi là một khái niệm “mới”, nó đã thực sự được
sử dụng trong hơn 30 năm qua từ thập niên 80 của thế kỷ XIX.

Hình 1. 2. Máy in 3D đầu tiên được phát minh bởi Chuck Hull

Chuck Hull đã phát minh ra quy trình in 3D đầu tiên được gọi là
“stereolithography” vào năm 1983. Đây là công nghệ tạo vật thể từ nhựa lỏng và làm
cứng lại nhờ laser. Sau đó, ông Hull thành lập công ty 3DSystems, một trong những
nhà cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực sản xuất máy in 3D. Từ
1986 đến 2007, trong 20 năm đầu tiên, công nghệ này mới chỉ có các bước đi nhỏ,

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

5

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

chậm, đây được gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh.
Tuy nhiên đến năm 2009, đã có một sự biến động lớn trên thị trường khi bằng sáng

chế về FDM (Fuse Deposition Modelling) vốn được sở hữu bởi hãng Stratasys bắt
đầu hết thời hạn. công nghệ này đã thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia. Giá thành
sản xuất giảm và FDM trở thành một trong những chìa khóa cơng nghệ cơ bản của
các máy sản xuất đắp dần được tiêu thụ trên thị trường hiện nay. Ngoài ra, đến năm
2014, các bằng sáng chế cho công nghệ Nung kết sử dụng laser (Selective Laser
Sintering-SLS) cũng bắt đầu hết hạn, tạo cơ hội cho những sáng chế mới phát triển
hơn nữa ngành sản xuất đắp dần, mở đường cho một thời kỳ phát triển mạnh mẽ của
ngành cơng nghiệp này trong tương lai rất gần.

Hình 1. 3. Q trình phát triển cơng nghệ in 3D

1.1.3. Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và đời sống
Công nghệ in 3D được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ sản xuất đến đời
sống. Sau đây là một số lĩnh vực được ứng dụng rộng rải công nghệ in 3D:
a. Công nghiệp sản xuất chế tạo
In 3D mở ra tiềm năng về lợi thế chi phí sản xuất, cải tiến quy trình và cả sản
phẩm cho các nhà cung cấp trong một số trường hợp cụ thể. Ngồi mục đích thử
nghiệm, thiết kế, tạo mẫu và sản xuất một số bộ phận, công cụ lắp ráp đặc biệt, ngành
công nghiệp ô tô đã sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất ra những chiếc xe hoàn

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

6

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

chỉnh. Trên thực tế, một chiếc xe tên là Urbee đã được sản x́t tồn bộ bằng cơng
nghệ in 3D. Nhà sản xuất chiếc xe này đã tập trung vào việc tăng tối đa số lượng các
bộ phận xe được in 3D với mục tiêu chính là tiết kiệm nhiên liệu.

Hình 1. 4. Ứng dụng in 3D trong sản xuất ôtô

b. Y tế - Chăm sóc sức khỏe
Công nghệ in 3D rất hữu ích trong sản x́t các mơ hình sinh học (các mơ hình
bộ phận con người như xương, răng, tai giả...). Trong ứng dụng này, mô hình điện tử
của bộ phận cơ thể con người được dựng bởi các hình ảnh ba chiều hoặc một máy
quét 3D. Sau đó, mô hình sinh học được tạo ra từng lớp từng lớp nhờ vào công nghệ
sản xuất đắp dần. Trong ngành giải phẫu, mỗi bệnh nhân là một cá thể riêng biệt và
duy nhất, mơ hình sinh học 3D cho phép bác sĩ thực hiện phẫu thuật thuận lợi hơn do
có được sự hiểu biết sâu hơn về cơ thể bệnh nhân và các chẩn đốn được chính xác
hơn. Nhờ đó, kế hoạch phẫu thuật được chi tiết hơn, các thử nghiệm, diễn tập phẫu
thuật hay hướng dẫn trong ca mổ được đảm bảo về độ chính xác và chất lượng. Cơng
nghệ in 3D cịn hỗ trợ các thử nghiệm phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng
cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sĩ.

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngơ Kiều Nhi

7

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

Hình 1. 5. Một số bộ phận của cở thể người được in 3D

c. Kiến trúc và xây dựng
Dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện
thành công trong việc xây dựng các tồ nhà bằng các máy in 3D khởng lờ. Vật liệu
phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tông và cát. Phương pháp in 3D trong xây
dựng có thể mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt
là trong chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an tồn xây dựng và giảm
các tác động môi trường.

Hình 1. 6. Mơ hình kiến trúc ứng dụng cơng nghệ in 3D

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

8

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

d. Công nghiệp hàng không vũ trụ
Công ty thương mại không gian của Elon Musk SpaceX đã sử dụng công nghệ
in 3D để sản xuất khoang động cơ cho động cơ SuperDraco; động cơ sẽ được lắp đặt
trên tàu vũ trụ Dragon của công ty. Quyết định này cắt giảm thời gian từ thiết kế đến
lần thử nghiệm phóng đầu tiên chỉ trong ba tháng. Các khoang động cơ được in bằng
Inoxel, một hợp kim siêu hiệu năng cao và đã được thử nghiệm thành cơng hàng chục

lần.

Hình 1. 7. Khoang động cơ tàu vũ trụ được in 3D bằng inoxel

e. Trong đời sống gia đình
Với chi phí thấp và sự tiện dụng, máy in 3D sẽ dần trở thành một thiết bị trong
gia đình bạn. Máy in 3D để bàn cho phép bạn sản xuất bất cứ thứ gì bạn muốn ngay
trong căn nhà riêng của mình, tất nhiên là với kích thước phù hợp với máy in và các
nguyên liệu có thể có. Các vật dụng u thích như đờ chơi, đờ dùng và đờ vật trang
trí là những ứng dụng phổ biến nhất. Nhờ máy in 3D để bàn, mỗi người có thể tự thiết
kế và sản xuất vật dụng theo yêu cầu riêng biệt, làm nên cá tính của bản thân. Cơng

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

9

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

nghệ này cũng góp phần làm tăng khả năng và cơ hội sáng tạo của mỗi người. Và hơn
thế, in 3D tại gia đình làm giảm bớt các khó khăn trong chuỗi cung ứng truyền thống.

Hình 1. 8. Ứng dụng trong các vật dụng trong gia đình

1.1.4. Phân loại các cơng nghệ in 3D
Công nghệ in 3D về cơ bản, đều có điểm chung là việc sản xuất được thực hiện

theo từng lớp, từng lớp một, bồi đắp dần để tạo ra sản phẩm; ngược với các phương
pháp sản xuất truyền thống sẽ cắt gọt trên nguyên liệu có sẵn, hoặc các quá trình đúc
khuôn. Tuy nhiên, mỗi công nghệ in cũng có những sự khác biệt.
a. Cơng nghệ FDM
•

Ngun lý hoạt động: FDM ép đùn nhựa nhiệt dẻo nóng cháy qua một vòi phun
từng lớp từng lớp một để tạo thành các chi tiết. Cơng nghệ FDM có thể sử dụng
nhiều đầu phun cho vật liệu của sản phẩm và vật liệu hỗ trợ.

• Vật liệu: Vật liệu FDM có thể mờ đục tới bán trong suốt với nhiều màu sắc bao
gồm xanh, đỏ, vàng, trắng, đen và màu nâu vàng,... Nhựa nhiệt dẻo của FDM bao

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

10

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

gồm các loại nhựa nhiệt dẻo có khả năng tương thích sinh học cao và đạt xếp
hạng FAR, và nhiều loại vật liệu để tạo khuôn cho ép nhựa như ABS và ASA.
•

Ứng dụng: FDM là cơng nghệ phở biến nhất của công nghệ in 3D và thường được
sử dụng để tạo mẫu nhanh trong hầu hết các ngành; ngoài ra, cơng nghệ FDM

cịn được dùng để chế tạo các thành phần nội thất của máy bay và đường ống dẫn,
các nguyên mẫu hoặc sản phẩm trong y tế, hàng tiêu dùng, trong cơng nghiệp và
giao thơng.

b. Cơng nghệ PolyJet
•

Ngun lý hoạt động: Hãy tưởng tượng công nghệ PolyJet như máy in giấy 2-D
ở nhà của bạn. Máy in màu 2-D của bạn sẽ quét các giọt nhỏ màu nhỏ xíu lên
giấy của bạn, tạo thành chữ và hình ảnh. Một cách gần như tương tự, PolyJet sử
dụng vòi phun in để phun đè các giọt chất dẻo với độ dày 16 micron để tạo nên
chi tiết sản phẩm 3 chiều. Qua mỗi lớp phun vật liệu, đồng thời tia UV sẽ xử lý
làm cứng lớp vật liệu ấy chồng đè lên lớp dưới.

•

Vật liệu: Vật liệu in PolyJet giống như nhựa photopolymer. Photopolymers hoặc
vật liệu photocurable có nhiều loại khác nhau dựa vào thành phần, từ co dãn đến
cứng rắn, trong suốt đến mờ đục. PolyJet là một trong hai cơng nghệ in 3D có thể
in màu và đó là công nghệ duy nhất có khả năng in nhiều vật liệu đồng thời trong
một lần in cung cấp sản phẩm từ cứng đến co dãn chỉ trong một lần in

•

Ứng dụng: Bởi vì PolyJet sử dụng năng lượng tia cực tím để xử lý các chất lỏng,
các bộ phận có thể biến dạng và thay đổi màu sắc khi tiếp xúc kéo dài với nhiệt
và ánh sáng, điều này có nghĩa là các bộ phận của PolyJet không được sử dụng
cho các ứng dụng kiểm tra cơ tính, cần dùng lực nhiều. Các ứng dụng lý tưởng
của PolyJet bao gồm: Các mẫu dành cho tạo khuôn lạnh (Đúc cát) hoặc có nhiệt
độ thấp; mơ hình hiển thị; ngun mẫu giống thực, và mơ hình chức năng, kiểm

tra tính vừa vặn, cầm nắm….

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

11

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

c. Cơng nghệ SLA
•

Ngun lý cơng nghệ: Sử dụng ng̀n năng lượng trong vùng hồng ngoại như:
tia laser, tia UV, máy chiếu DLP để xử lý nhựa lỏng từng lớp từng lớp một. Bàn
in chứa chi tiết theo phương pháp SLA sẽ nằm trên đỉnh một bồn dung dịch nhựa
lỏng. Khay được phủ một lớp nhựa lỏng. Nguồn năng lượng UV sẽ chiếu trực
tiếp qua những gương phản chiếu tia cực tím trên khay đỡ hoặc màn hình LCD,
xử lý chất lỏng thành các mơ hình chính xác một mặt cắt ngang cùng một lúc.
Sau khi mỗi lớp được xử lý, khay in sẽ dịch chuyển lên trên trong dung dịch lỏng.

•

Vật liệu: Sử dụng nhựa nhạy sáng (photopolymer) để tạo ra các chi tiết cứng, đục
và trong suốt với nhiều màu sắc khác nhau, có thể biến dạng hoặc thay đổi màu
sắc khi tiếp xúc với ánh sáng và nhiệt độ theo thời gian, không lý tưởng cho các
chi tiết chịu tác động lực lớn.

•

Ứng dụng: Cơng nghệ SLA được biết đến nhiều nhất với khả năng để xây dựng
các thành phần rỗng bên trong, với vỏ ngoài dày và phần bên trong có hình tở
ong. Ứng dụng phở biến nhất với các chi tiết có hình trụ rỗng sử dụng phương
pháp Stereolithography là các mẫu đúc trong đúc mẫu chảy. Các ứng dụng phở
biến khác của SLA gờm có: các mơ hình giải trí lớn, ngun mẫu và mẫu chủ cho
khuôn lạnh hoặc khuôn dùng nhiệt độ thấp.

d. Công nghệ SLS
•

Ngun lý hoạt động: Sintering Laser địi hỏi một buồng in kèm theo để sưởi ấm
và thêu dệt chi tiết từng lớp từng lớp một. Sintering Laser bắt đầu bằng cách làm
ấm khoang chứa bột ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của bột nhựa. Một tia laser
CO2 chạm và đốt cháy bột tại điểm nóng chảy theo các mẫu thiết kế được xác
định, do đó đưa các khu vực cụ thể được đốt nóng thành thể rắn, tạo thành sản
phẩm, từng lớp một. Sintering Laser là quá trình in 3D duy nhất hồn tồn khơng
cần có cấu trúc hỗ trợ. Bột không được làm cứng trong buồng in đủ dày để hỗ trợ
cho sản phẩm khi nó được làm ra.

•

Vật liệu: Phương thức Laser Sintering sử dụng Nylon 11 và 12, nguyên liệu thô
và nguyên liệu đã qua xử lý, để cung cấp các loại nhựa có độ bền và tương thích

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

CBHD: GS. TS. NGND. Ngô Kiều Nhi

12

HVTH: Huỳnh Minh Đăng

với FAR. Nylon được xử lý với Laser Sintering là một hỗn hợp gồm một hoặc
hai vật liệu, bao gồm thủy tinh, cacbon hoặc nhôm. Nylon đã qua xử lý có thể
tăng độ cứng, sức mạnh, độ chịu nhiệt hoặc bề mặt nhẵn hồn thiện.
•

Ứng dụng: Laser Sintering là một trong những công nghệ nhựa 3D được sử dụng
rộng rãi nhất cho ngành hàng không vũ trụ và các ứng dụng tương đương khắc
nghiệt và nhiệt độ cao. Nó cũng được sử dụng trong ngành ô tô, y tế, hàng tiêu
dùng, nghệ thuật và kiến trúc cho hàng ngàn sản phẩm.

Luận Văn Thạc Sĩ

Ngành: Cơ Kỹ Thuật

Nghiên cứu công nghệ sla (stereolithography) chế tạo máy in 3d cho một số dung dịch nhựa

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về