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

Nghiên cứu khoa học công nghệ

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VẬT LIỆU ONYX, ỨNG DỤNG
TRONG CÔNG NGHỆ IN 3D
Đinh Thế Dũng*, Khuất Hoàng Bình, Nguyễn Thu Hương, Hoàng Anh Tuấn,
Phan Văn Cường, Lê Hữu Thành, Nguyễn Trần Hùng
Tóm tắt: Onyx là vật liệu composite có vật liệu nền là nhựa polyamide và được
gia cường bởi sợi cacbon được cắt nhỏ do hãng Markforged sản xuất và ứng dụng
cho công nghệ in 3D. Onyx có những tính năng vượt trội so với các loại vật liệu
khác như độ bền uốn 81 MPa so với polyamide là 32MPa, cứng gấp 3.5 lần so với
polyamide và 1.4 lần so với ABS. Khi kết hợp Onyx với các vật liệu gia cường khác
cho sản phẩm có độ bền kéo đứt hơn 700 MPa, cao hơn so với nhôm 6061-T6, cứng
hơn 27 lần và có độ bền kéo đứt hơn 24 lần so với vật liệu ABS và một ưu điểm khác
của Onyx là vật liệu in 3D được sử dụng mà sản phẩm không cần xử lý sau in.
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.
Từ khóa: Vật liệu in 3D; Onyx; Composite.

1. MỞ ĐẦU
C ng nghệ in D ang ngày àng tr nên h iến trên th trường thế gi i, là t h
trong ng nghệ hế t o ật liệu trong 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 à hiến lư trong l nh
in D thì oanh thu t ư t
ng nghệ in 3D nă 2015 là khoảng 5 tỉ
la, nă 2016

là 6,1 tỉ la, nă 2017 là 7, tỉ la. D o n ến 2020 ẽ tăng lên 21 tỉ la à 2 tỉ
la ào nă 202 [1].
Vậy ng nghệ in D là gì à t i ao l i ngày àng h iến trên thế gi i C ng nghệ in
D là u trình hế t o ật liệu th o hương
h
ế t ng l
t o nên t th
hiều a trên
t
hình
ư t o n. Phương h này
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 nhau tùy th o yêu ầu t nh
hất a ản h .
C
ản h
a ng nghệ in D rất a ng. T những ật ng th ng thường như
vât ng gia ình: àn, ghế, t ,
ến
ản h
ao ấ hơn như nhà , xe ô tô,
ho
ản h
thù ư
ng là

hận y ay, tên l a như th n ng
ơ,
ng ơ, [2, 3].
Đa hần
ản h
a ng nghệ in D là t ật liệu o o it
i
t nh ền
à nh . Trong
nghiên u n i ật hiện nay ề ật liệu o o it ho ng nghệ in 3D
thì ật liệu ny ư h ng ark org
ản uất th hiện nhiều t nh năng ưu iệt. ny là
ật liệu o o it
nền nh a nhiệt o olya i 6 i ật liệu gia ường là i
on
ư
t nh [4].
ny òn ư
ng là
ật liệu nền trong
ật liệu o o it ư gia ường
i i a on, k lar, th y tinh, t o ra
ẫu ật liệu
ền kéo t > 700 Pa,
ao hơn o i nh
6061-T6,
ng gấ 27 lần à
ền gấ 24 lần ABS [5]. Vì ậy,
h ng t i tậ trung nghiên u h n t h ật liệu ny là ơ
hế t o à ng ng

lo i ật liệu này trong ng nghệ in D
hế t o ản h
h
u
hòng, giả hi
h ua nguyên liệu à t h thu
ào nư ngoài.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9- 2020

37


Hóa học và Kỹ thuật môi trường

2. THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên liệu
Vật liệu ny , olya i 6 ư
ản uất i h ng ark org .
2.2. Thực nghiệm
ẫu i ny ư hòa tan trong a it or i 85%, au
tiến hành l lo i
kết t a,
ung
h au l
ư
i ấy kh , ản h
au ấy là àng nh a ư thấy như
trên hình 1.

Hình 1. Mẫu phân tích: a - Mẫu sợi Onyx; b- Màng nhựa sau xử lý.
C
hương h
ư
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 ư
au ấy ư
o FTIR i nền là kh ng kh
i
th ng
o
như 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 5 ến 90o; ư
o 0,1o;
thời gian o ỗi ư
o 1 gi y; Kα1 =1,54046 Ȧ ; Kα2 = 1,5444 Ȧ; Kβ=1, 9225 Ȧ;
Nguồn h t năng 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 6 à 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 ai (DSC): ằng thiết
La y DSC1 1, SETARA . Dải
nhiệt: nhiệt
hòng ến 00 oC, t
gia nhiệt 5 oC/phút.
+ Phương h
h k nh hi n i iện t uét à t n
năng 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 năng 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
ư
hu n
ư th hiện ng th o tiêu hu n i
giấy l
ng là giấy l
hat an
ường k nh lỗ là 5µ .
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Xác định vật liệu nền
àng nh a au khi ư t h ra
h n t h FTIR, kết uả ư trình ày hình 2.
D a trên ơ
o nh h hồng ngo i a ẫu nh a nền a ật liệu ny (hình 1a) à
h hu n a olya i 6 (hình 1 ). Đ trưng a liên kết N-H trong olya i 6 ư
-1
th hiện
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 … công 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 hiện
ỉnh
-1
1639 cm-1 [6]. C
ỉnh kh như 29 6

và 2865 cm-1 th hiện ao ng a liên kết
C-H a nh
CH2 tương ng i ao ng h a tr ất i ng à i ng [6]; ỉnh
1463 cm-1 - ao ng iến ng trên
t
t hẳng a C-H trong CH2 [6-8], ao ng
-1
iến ng ngoài
t hẳng uất hiện
ỉnh 1265
và 1202 cm-1 [6]. Ngoài ra, dao
-1
ng a ng (CH2)4 th hiện
ỉnh 7 0
[6].

Hình 2. Phổ hồng ngoại FTIR: a – Màng nhựa; b – PA6.
Th o h hu n a olya i 6 (PA6) ư
ung ấ
i hần ề
a h ng Bruk r
(hình 1 ), th thấy ư
ật liệu ny
ỉnh
trưng trùng i
ỉnh a ật
liệu PA6 hù h
i th ng tin ư
ung ấ t nhà ản uất ark org .
Ngoài ra, ẫu ư

h n t h ằng hương h TGA
ng thê kết luận ề ật
liệu nền i
ỉnh
trưng a olya i 6.
Hình là h h n t h nhiệt TGA a
ẫu: ny à olya i 6 ư
ản uất
i h ng ark org . Kết uả ho thấy: nhiệt
460 oC ny à olya i 6 ều
h n h y à ất kh i lư ng tương ng là 60% à 80%. Ở nhiệt
700 oC Onyx và
olya i tiế t
ất kh i lư ng òn l i là
ản h trung gian a u trình h n
h y ầu tiên [9].

Hình 3. Phân tích nhiệt TGA của các mẫu vật liệu Onyx, polyamide 6.
3.2. Xác định vật liệu gia cường
Vật liệu gia ường u
nh i h SE -ED . Kết uả h
h ư trình ày
trên hình 4.
Kết uả h ho thấy, ật liệu gia ường là i a on i k h thư
i khoảng 10100 µm.
Hà lư ng i gia ường ư
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 khi l
à ấy (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 và Kỹ thuật môi trường

Kết uả th

nghiệ

ho kết uả hà

lư ng

i a on C ~ 27%.

a
b
Hình 4. Chụp kính hiển vi điện tử SEM (a) và tán sắc năng lượng EDX (b) mẫu Onyx.

Vật liệu ny là ật liệu o o it
ật liệu gia ường là 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, trong thành hần a ẫu ny kh ng
h a
h gia
ơ.
3.2. Xác định một số tính chất nhiệt của vật liệu
Nhiệt
n ng hảy à nhiệt
huy n ha th y tinh a ẫu ật liệu ny ư
h n
t h nhiệt DSC i kết uả ư 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 và 264 oC. Đỉnh ầu tiên 59 oC tương ng i nhiệt
huy n ha th y tinh a ật liệu. Hai ỉnh 211 oC và 264 oC tương ng i u trình n ng
hảy ật liệu i thành hần kết ấu ha tinh th kh nhau:
t ha kết ấu tinh th là
α, ha òn l i kết ấu tinh th γ [10, 11]. Điều này ư
h ng inh th ng ua kết uả
phân tích XRD (hình 5b).

Hình 5. Phổ DSC (a) và XRF (b) của Onyx.
T th ng
nthal y

th t nh to n ư hà lư ng tinh th trong ật liệu a trên
o nh nhiệt lư ng hấ thu i i ật liệu kết ấu tinh th 100% [12].
Bảng 1. Một số thông số nhiệt của 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
4. KẾT LUẬN
Vật liệu ny
ật liệu nền là PA 6 i nhiệt
huy n h a th y tinh 59 oC, trong
thành hần a PA 6 2 ha tinh th ga
a à al ha i tỷ lệ là 2,1:1.

Vật liệu gia ường a ny là 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 … công nghệ in 3D.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Trong thành hần ật liệu kh ng

h a

thành hần h gia

ơ.

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 đã đột phá vào mọi ngành nghề”, Nhà uất
ản B h Khoa 2016, 19 .
[4]. />[5]. />[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
6 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 bài ngày 15 tháng 7 năm 2020
Hoàn thiện ngày 10 tháng 8 năm 2020
Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 8 năm 2020
Địa chỉ: Viện H a h - Vật liệu, Viện Khoa h
*Email:

à C ng nghệ u n

.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9- 2020

41